Bài giảng môn Thiết bị điện tử

120 trang vanle 2460

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng môn Thiết bị điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_mon_thiet_bi_dien_tu.doc

Nội dung text: Bài giảng môn Thiết bị điện tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA SƯ PHAM KĨ THUẬT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ- TIN HỌC  BÀI GIẢNG THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ (3 TÍN CHỈ) Người soạn: ThS. Nguyễn Thị Mai Lan HÀ NỘI, NĂM 2012
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc PHẦN 1: THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ MỞ ĐẦU: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG 1. Các định nghĩa và khái niệm chung về đo lường 1.1 Đo lường Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng về đại lượng cần đo để có được kết quả bằng số so với đơn vị đo. Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng: X A= => X=A.X0 X 0 Trong đó: A là con số kết quả đo X là đại lượng cần đo X o là đơn vị đo Ví dụ: U=5V => U- đo điện áp; 5- con số đo; V-đơn vị đo 1.2 Đo lường học Đo lường học là ngành khoa học chuyên nghiên cứu để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu và đơn vị đo. 1.3 Kỹ thuật đo lường (KTĐL) KTĐL là ngành kỹ thuật chuyên môn nghiên cứu để áp dụng kết quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống xã hội. 1.4 Tín hiệu đo lường Tín hiệu đo lường là tín hiệu mang thong tin về giá trị của đại lượng đo 1.5 Đại lượng đo Đại lượng đo là thông số xác định quá trình vật lý của tín hiệu đo. Quá trình vật lý có thể có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể người ta chỉ quan tâm đến một hoặc một vài thông số nhất định. Ví dụ: để xác định độ rung có thể xác định thông qua một trong các thông số như: biên độ rung, gia tốc rung, tốc độ rung Đại lượng đo chia làm hai loại Đại lượng đo tiền định: là đại lượng đã biết trước qui luật thay đổi theo thời gian của chúng. Đại lượng đo ngẫu nhiên: là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một qui luật nhất định 1.6 Đơn vị đo Mỗi một quốc gia có một tập quán sử dụng các đơn vị đo lường khác nhau. Để thống nhất các đơn vị này người ta thành lập Hệ đơn vị đo lường quốc tế. Ngày 20-1- 1950 Chủ tịch Hồ Chí Minh đã ký sắc lệnh số 8/SL quy định hệ thống đo lường Việt nam theo hệ SI và ngày 20/1 hằng năm là ngày Đo Lường Việt Nam. 2
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Theo Pháp lệnh Đo lường ngày 06 tháng 10 năm 1999, đơn vị đo lường hợp pháp là đơn vị đo lường được Nhà nước công nhận và cho phép sử dụng. Nhà nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam công nhận Hệ đơn vị đo lường quốc tế (viết tắt là SI). Chính phủ quy định đơn vị đo lường hợp pháp phù hợp với Hệ đơn vị đo lường quốc tế. Hệ đơn vị đo lường quốc tế SI bao gồm 7 đơn vị cơ bản: Đại lượng đo Đơn vị Kí hiệu Đại lượng đo Đơn vị Kí hiệu Chiều dài met M Cường độ dòng điện Ampe A Khối lượng kilogram Kg Nhiệt độ Kelvin K Thời gian second S Cường độ sáng Candela Cd Số lượng vật chất mol mol Bảng 1: Hệ đơn vị đo lường quốc tế SI Các đơn vị khác được định nghĩa thông qua các đơn vị cơ bản gọi là các đơn vị dẫn xuất. (xem chi tiết trong Nghị định của chính phủ số 65/2001 NĐ-CP về việc Ban hành hệ thống đơn vị đo lường hợp pháp của nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam. Dưới đây là một số đơn vị dẫn xuất điện và từ Đại lượng đo Đơn vị Kí hiệu Công suất oát W Điện tích, điện lượng culông C Hiệu điện thế, điện thế, điện áp, suất điện động von V Điện dung fara F Điện trở ôm Ω Điện dẫn simen S Độ tự cảm Henry H Thông lượng từ (từ thông) vebe Wb Mật độ từ thông, cảm ứng từ tesla T Cường độ điện trường von trên met V/m Cường độ từ trường ampe trên met A/m Năng lượng điện electronvon eV Bảng 2: Đơn vị dẫn xuất từ hệ đo lường quốc tế SI Chữ đọc Kí hiệu Hệ số nhân Chữ đọc Kí hiệu Hệ số nhân yotta Y 1024 deci d 10-1 3
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Zetta Z 1021 centi c 10-2 Exa E 1018 milli m 10-3 Peta P 1015 micro µ 10-6 Tera T 1012 nano n 10-9 Giga G 109 pico p 10-12 Mega M 106 femto f 10-15 Kilo k 103 atto a 10-18 Hecto h 102 zepto z 10-21 Deka da 10 yocto y 10-24 Bảng 3: Ước và bội thập phân của các đơn vị SI 1.7 Thiết bị đo và phương pháp đo Thiết bị đo là thiết bị kĩ thuật dung để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Thiết bị đo bao gồm: thiết bị mẫu, chuyển đổi đo lường, dụng cụ đo lường, tổ hợp thiết bị đo lường và hệ thống thông tin đo lường. Phương pháp đo: Quá trình đo tiến hành thông qua các thao tác cơ bản sau: Thao tác tạo mẫu: là quá trình lập đơn vị tạo ra mẫu biến đổi hoặc khắc trên thang đo của thiết bị đo. Thao tác biến đổi: là quá trình biến đổi đại lượng đo (hay đại lượng mẫu) thành những đại lượng khác tiện cho việc đo hay xử lý, thực hiện các thuật toán, tạo ra các mạch đo và gia công kết quả đo. Thao tác so sánh: là quá trình so sánh đại lượng đo với mẫu hay giữa con số tỉ lệ với đại lượng đo vad con số tỉ lệ với mẫu. Thao tác thể hiện kết quả đo: là quá trình chỉ thị kết quả đo dưới dạng tương tự hoặc con số, có thể ghi lại kết qủa đo trên giấy hay bộ nhớ. Thao tác gia công kết quả đo: là quá trình xử lý kết qủa đo bằng tay hoặc máy tính. Sự phối hợp giữa các thao tác cơ bản nêu trên là phương pháp đo 2. Cách thực hiện phép đo 2.1. Đo trực tiếp Đo trực tiếp là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất. Ví dụ: Vônmet đo điện áp, Ampemet đo cường độ dòng điện .v.v. Như vậy, kết quả đo được chính là trị số của đại lượng cần đo mà không phải tính toán thông qua 4
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc bất kỳ một biểu thức nào. Nếu không tính đến sai số thì trị số đúng của đại lượng cần đo X sẽ bằng kết quả đo được A. Phương pháp đo trực tiếp có ưu điểm là đơn giản, nhanh chóng và loại bỏ được sai số do tính toán. 2.2 Đo gián tiếp Đo gián tiếp là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp. Ví dụ: để đo công suất (P) có thể sử dụng Vônmet để đo điện áp (U), Ampemet đo cường độ dòng điện (I), sau đó sử dụng phương trình: P = U.I ta tính được công suất. Như vậy kết quả đo không phải là trị số của đại lượng cần đo, các số liệu cơ sở có được từ các phép đo trực tiếp sẽ được sử dụng để tính ra trị số của đại lượng cần đo thông qua một phương trình vật lý liên quan giữa các đại lượng này. X = f(A1, A2, An) Trong đó A1, A2 An là kết quả đo của các phép đo trực tiếp. Cách đo gián tiếp mắc phải nhiều sai số do sai số của các phép đo trực tiếp được tích luỹ lại. Vì vậy cách đo này chỉ nên áp dụng trong các trường hợp không thể dùng dụng cụ đo trực tiếp mà thôi. 2.3 Đo tương quan Đo tương quan là phương pháp được sử dụng trong trường hợp cần đo các quá trình phức tạp mà ở đây không thể thiết lập một quan hệ hàm số nào giữa các đại lượng là các thông số của các quá trình nghiên cứu. Ví dụ đo tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra của một hệ thống nào đó. Sử dụng cách đo tương quan cần ít nhất hai phép đo mà thông số từ kết quả đo của chúng không phụ thuộc lẫn nhau. 2.4 Đo hợp bộ Đo hợp bộ là phương pháp có được kết quả đo nhờ giải một hệ phương trình mà các thông số đã biết trước chính là các số liệu đo được từ các phép đo trực tiếp. 2.5 Đo thống kê Đo thống kê là phương pháp sử dụng cách đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình để đảm bảo kết quả chính xác. Cách này được sử dụng khi đo tín hiệu ngẫu nhiên hoặc kiểm tra độ chính xác của dụng cụ đo. 2.6 Đo rời rạc hóa (chỉ thị số) Đại lượng cần đo được biến đổi thành tin tức lác các xung rời rạc. Trị số của đại lượng cần đo được tính bằng số xung tương ứng này. 5
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc 3. Phân loại các thiết bị đo Thiết bị đo gồm các loại sau: 3.1 Mẫu Mẫu là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định. Những dụng cụ mẫu phải đạt độ chính xác rất cao từ 0,001% đến 0,1% tuỳ theo từng cấp chính xác và từng loại thiết bị. Mẫu được sử dụng để chuẩn hoá lại các dụng cụ đo lường kiểm định 3.2 Thiết bị đo các thông số và đặc tính của tín hiệu Thiết bị đo lường là thiết bị đo lường bằng điện để gia công các thông tin đo lường, tức là tín hiệu điện có quan hệ hàm với các đại lượng vật lý cần đo. Dựa vào cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị người ta phân dụng cụ đo điện thành 2 loại là: Dụng cụ đo tương tự: là dụng cụ đo mà giá trị của kết quả đo thu được là một hàm liên tục của quá trình thay đổi đại lượng đo. Dụng cụ đo chỉ thị kim và dụng cụ đo kiểu tự ghi (có thể ghi trên giấy, màn hình, băng đĩa từ ) Dụng cụ đo số: là dụng cụ đo mà kết qủa đo được thể hiện bằng con số Sơ đồ khối chung các thiết bị đo các thông số và đặc tính của tín hiệu như hình 1 dưới đây. Tín hiệu cần đo được đưa vào đầu vào của thiết bị. Đầu vào Mạch vào Mạch biến Bộ phận chỉ đổi thị Nguồn cung cấp Hình 1: Sơ đồ khối chung thiết bị đo các thông số và đặc tính của tính hiệu - Mạch vào: có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu từ đầu nối vào tới mạch biến đổi. Mạch vào quyết định mức độ ảnh hưởng của máy đo với chế độ công tác của đối tượng cần đo. - Mạch biến đổi: dùng để tạo ra tín hiệu cần thiết để so sánh tín hiệu cần đo này với tín hiệu mẫu. Ví dụ: tần số kế kiểu đếm - Bộ phận chỉ thị: để biểu thị kết quả đo dưới dạng thích hợp với giác quan giao tiếp của sinh lý con người. Ví dụ bộ phận chỉ thị thường là các đồng hồ đo kim chỉ thị (cơ cấu chỉ thị cơ điện: CCCT từ điện, CCCT điện từ, CCCT điện động), ống tia điện tử CRT, hệ thống đèn chỉ thị số, ống nghe, bộ ghi, bộ phận ghi hình, thiết bị nhớ .v.v. Có 3 cách hiển thị kết quả đo để mắt người có thể quan sát được: Chỉ thị bằng kim trên vạch chia độ 6
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Chỉ thị bằng thiết bị tự ghi (màn hình, giấy từ, băng đĩa từ ) Chỉ thị bằng số Nhóm thiết bị này có thể chia thành hai loại: - Thiết bị đo kiểu biến đổi thẳng: Dụng cụ đo sử dụng phương pháp đo có cấu trúc kiểu biến đổi thẳng, không có khâu phản hồi. Quá trình đo là quá trình biến đổi thẳng. Thiết bị đo gọi là thiết bị biến đổi thẳng. Hình 2: Sơ đồ khối dụng cụ đo dùng phương pháp đo biến đổi thẳng Trong đó: - BĐ là bộ biến đổi; - SS là bộ so sánh; - A/D là bộ chuyển đổi tương tự/số; - CT là cơ cấu chỉ thị. Đại lượng cần đo X được đưa qua các khâu biến đổi, thành con số Nx. Đơn vị đo Xo cũng được biến đổi thành No, sau đó so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị đo qua bộ so sánh. Kết quả đo được thể hiện bởi phép chia Nx/No. Kết quả đo: - Thiết bị đo kiểu biến đổi thẳng: Dụng cụ do sử dụng phương pháp đo kiểu so sánh, sử dụng khâu hồi tiếp. Hình 3: Sơ đồ khối dụng cụ đo sử dụng phương pháp đo kiểu so sánh Trong đó: - SS là bộ so sánh; - A/D là bộ chuyển đổi tương tự / số; - BĐ là bộ biến đổi; - D/A là bộ chuyển đổi số/ tương tự; - CT là cơ cấu chỉ thị. Tín hiệu X được đem so sánh với một tín hiệu Xk tỉ lệ với đại lượng mẫu Xo. Khi đó qua bộ so sánh ta có Δ X = X – Xk. Có hai cách so sánh là so sánh cân bằng và so sánh không cân bằng. - So sánh cân bằng Phép so sánh được thực hiện sao cho Δ X = 0 và khi đó: X = Xk = Nk.Xo 7
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Như vậy đại lượng mẫu Xk chính là một đại lượng thay đổi bám theo X sao cho khi X thay đổi luôn được kết quả như trên. Phép so sánh luôn ở trạng thái cân bằng (đôi khi người ta còn gọi phương pháp này là phương pháp cân). Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của Xk và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng (thường là thiết bị chỉ thị 0). Các dụng cụ đo theo phương pháp so sánh cân bằng thường là các cầu đo và điện thế kế cân bằng. - So sánh không cân bằng Nếu Xk là đại lượng không đổi, khi đó ta có: X = Xk + Δ X Nghĩa là kết qủa đo được đánh giá thông qua Δ X với Xk là đại lượng mẫu đã biết trước. Phương pháp này được sử dụng để đo các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất - So sánh không đồng thời Với phương pháp này, đại lượng X và Xk không được đưa vào thiết bị cùng một lúc. Xk được đưa vào trước để xác định giá trị trên thang khắc độ, sau đó thông qua thang độ xác định đại lượng đo. Ví dụ: các thiết bị đánh giá trực tiếp như Ampemet, Vônmet chỉ thị kim - So sánh đồng thời Là phương pháp so sánh cùng một lúc đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu Xk. Khi X và Xk trùng nhau thì thông qua Xk sẽ xác định được giá trị của X. 3.3 Thiết bị đo đặc tính và thông số của mạch Mạch điện cần đo thông số ở đây như mạng bốn cực, mạng hai cực và các phần tử của mạch điện. Sơ đồ khối chung của các thiết bị thuộc nhóm này như hình 2. Nguồn tín hiệu Nguồn Đối tượng đo cung Thiết bị chỉ thị Nguyền Mạch đo Đối tượng đo tín hiệu Thiết bị chỉ thị Hình 4: Sơ đồ khối chung thiết bị đo các thông số và đặc tính của mạch điện 8
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Đặc điểm cấu tạo của máy gồm cả nguồn tín hiệu và thiết bị chỉ thị. 3.4 Thiết bị tạo tín hiệu đo lường Thiết bị này dùng làm nguồn tín hiệu chuẩn khi cần đo lường, để nghiên cứu và điều chỉnh thiết bị. Sơ đồ khối chung của nhóm này như hình 3: Bộ tạo Bộ biến Mạch ra sóng chủ đổi Bộ điều Nguồn Thiết bị chế cung cấp đo Hình 5: Sơ đồ khối chung thiết bị phát tín hiệu - Bộ tạo sóng chủ: là bộ phận chủ yếu xác định các đặc tính chủ yếu của tín hiệu như dạng và tần số dao động - Bộ biến đổi: để nâng cao mức năng lượng của tín hiệu hay tăng thêm độ xác lập của dạng tín hiệu. Các máy phát tín hiệu ở tần số cao thường không có bộ biến đổi đặt giữa Bộ tạo sóng chủ và Mạch ra mà hay dùng bộ điều chế trực tiếp để khống chế dao động chủ. - Mạch ra: dùng để điều chỉnh mức điện áp đầu ra - Thiết bị đo: dùng để kiểm tra các thông số của tín hiệu ra. - Nguồn cung cấp: dùng để cung cấp điện áp một chiều cho các bộ phận 5. Sai số trong đo lường 5.1 Nguyên nhân sai số Đo lường là một phương pháp vật lý thực nghiệm nhằm mục đích thu được những tin tức về đặc tính số lượng của một quá trình cần nghiên cứu. Nó được thực hiện bằng cách so sánh một đại lượng cần đo với đại lượng đo tiêu chuẩn. Kết quả đo có thể biểu thị bằng số hay biểu đồ. Tuy nhiên, kết qủa đo được chỉ là một trị số gần đúng, nghĩa là phép đo có sai số. Vấn đề là cần đánh giá được độ chính xác của phép đo. Khi tính toán sai số cần tính tới trưường hợp các sai số kết hợp với nhau theo hướng bất lợi nhất với các nguyên nhân: Nguyên nhân chủ quan: do lựa chọn phương pháp đo và dụng cụ đo không hợp lý, trình độ của người sử dụng thiết bị đo không tốt, thao tác không thành thạo Nguyên nhân khách quan: do dụng cụ đo không hoμn hảo, đại lượng đo bị can nhiễu do môi trường bên ngoμi như nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn, áp suất 9
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc 5.2 Phân loại sai số * Phân loại theo nguyên nhân gây ra sai số: sai số chủ quan và sai số khách quan * Phân loại theo quy luật xuất hiện sai số: a. Sai số hệ thống Sai số hệ thống là do những yếu tố thường xuyên hay các yếu tố có quy luật tác động. Nó khiến cho kết quả đo có sai số của lần đo đều như nhau, nghĩa là kết quả của các lần đo đều lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị thực của đại lượng đo. Nhóm các sai số hệ thống thường do các nguyên nhân sau: Do dụng cụ, máy móc đo không hoàn hảo. Ví dụ: kim chỉ thị của thiết bị chỉ thị không chỉ đúng vị trí ban đầu, máy móc không được chuẩn lại thang đo với các máy chuẩn. Do phương pháp đo, cách xử lý kết quả đo hoặc bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng. Ví dụ: bổ qua các ảnh hưởng ghép ký sinh của mạch đo. Do khí hậu. Ví dụ: nhiệt độ, độ ảm không khí khi tiến hành đo khác với các điều kiện khí hậu tiêu chuẩn đã qui định trong qui trình sử dụng máy đo. b. Sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên là sai số do các yếu tố bất thường, không có quy luật tác động. Do vậy, sai số hệ thống có thể xử lý được nhờ lấy lại chuẩn nhưng sai số ngẫu nhiên không thể xử lý được vì không biết quy luật tác động. * Phân loại theo biểu thức diễn đạt - Sai số tuyệt đối là hiệu số giữa 2 trị số tuyệt đối của giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Trong đó: ∆X * là sai số tuyệt đối a là giá trị đo được X là giá trị thực vì chưa biết X nên thông thường người ta lấy của một loạt các phép đo. -Sai số tương đối là tỷ số của sai số tuyệt đối và trị số thực của đại lượng đo. Sai số tương đối biểu thị đầy đủ hơn sai số tuyệt đối. 10
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Cấp chính xác của dụng cụ đo: là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải. Người ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy đổi của dụng cụ đo và được nhà nước quy định cụ thể. (đôi khi người ta còn gọi đây là sai số tương đối chiết hợp, nó được ghi trực tiếp lên mặt dụng cụ đo). Trong đó: ΔXm là sai số tuyệt đối cực đại Xm là giá trị lớn nhất của thang đo (giới hạn cực đại của lượng trình thang đo) Ví dụ: khi đo hai tần số f1= 100Hz và f2=1000Hz đều có sai số tuyệt đối ∆f=±1Hz. Nếu so sánh bằng sai số tuyệt đối thì hai phép đo như nhau. Nhưng hai phép đo có độ chính xác khác nhau được biểu thị bằng sai số tương đối: f 1 .100% 1% 1 100 f 1 .100% 0,1% 2 1000 => Như vậy phép đo tần số f2 có độ chính xác cao hơn phép đo tần số f1. 11
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc CHƯƠNG 1: DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG VẠN NĂNG 1.1 ĐO CÁC THÔNG SỐ MẠCH ĐIỆN 1.1.1 Đo dòng điện 1.1.1.1 Khái niệm chung Dụng cụ dùng để đo dòng điện gọi là ampe kế hay ampemet. Kí hiệu là . Ampe kế có nhiều loại với nhiều cách phân loại khác nhau: Nếu chia theo kết cấu ta có: Ampe kế từ điện; Ampe kế nhiệt điện; Ampe kế bán dẫn; Ampe kế điện từ; Ampe kế điện động. Nếu chia theo loại chỉ thị ta có:Ampe kế chỉ thị số (Digital); Ampe kế chỉ thị kim (kiểu tương tự / Analog) Trị số dòng điện Dòng điện cần đo có các trị số biểu thị đặc tính là : trị số đỉnh (biên độ), trị số hiệu dụng, trị số trung bình. Trị số đỉnh (Im): là giá trị tức thời cực đại của dòng điện trong khoảng thời gian quan sát (hay một chu kì). Đối với dòng điện có cực tính không đối xứng thì có hai giá trị đỉnh: đỉnh dương và đỉnh âm. Với dòng điện xoay chiều điều hòa thì trị số đỉnh chính là trị số biên độ. Trị số hiệu dụng (Irms): là giá trị trung bình bình phương của dòng điện tức thời trong khoảng thời gian đo (hay trong một chu kì). Trị số trung bình (Itb): là trị số trung bình cộng các giá trị tức thời trong khoảng thời gian đo (hay trong một chu kì) Yêu cầu chung đối với dụng cụ đo dòng điện Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của ampe kế càng nhỏ càng tốt và lý tưởng bằng 0. Làm việc trong một dải tần cho trước để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo. Mắc ampe kế để đo dòng phải mắc nối tiếp với dòng cần đo 1.1.1.2 Ampe kế một chiều cơ bản Ampe kế một chiều được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện. Độ lệch của kim tỉ lệ thuận với dòng chạy qua cuộn động nhưng độ lệch kim được tạo ra bởi dòng điện rất nhỏ và cuộn dây quấn bằng dây có tiết diện bé nên khả năng chịu dòng rất kém. Thông thường, dòng cho phép qua cơ cấu chỉ trong khoảng 10-4 A÷ 10-2 A; điện trở của cuộn dây từ 20Ω ÷ 2000Ω với cấp chính xác 1,1; 1; 0,5; 0,2; 0,05 Để tăng khả năng chịu dòng cho cơ cấu (cho phép dòng lớn hơn qua) người ta mắc thêm điện trở SUN song song với cơ cấu chỉ thị có giá trị như sau: 12
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc RCT I RS Với: - n là hệ số mở rộng thang đo n 1 I CT - I: dòng cần đo - ICT: dòng cực đại mà cơ cấu chịu được Chú ý: Điện trở SUN được chế tạo bằng Manganin (hồn hợp gồm 55% đồng và 45% nikel) có độ chính xác cao hơn độ chính xác của cơ cấu đo ít nhất 1 cấp. Khi Ampe kế có nhiều thang đo ta có thể mắc theo hai cách: mắc điện trở SUN kiểu nối tiếp (Hình a) và mắc điện trở SUN kiểu song song (Hình b) a. Sơ đồ mắc điện trở SUN kiểu nối tiếp b. Sơ đồ mắc điện trở SUN kiểu song song Hình 1.1: Mở rộng thang đo cho Ampe kế Tính điện trở SUN ứng với dòng cần đo được xác định theo công thức Điện trở SUN kiểu nối tiếp Điện trở SUN kiểu song song RCT R2 R3 I1 RCT I1 RS1 R1 với n1 RS1 với n1 n1 1 I CT n1 1 I CT RCT R3 I 2 RCT I 2 RS 2 R1 R2 với n2 RS 2 với n2 n2 I CT n2 1 I CT RCT I 3 RCT I 3 RS 3 R1 R2 R3 với n3 RS 3 với n3 n3 1 I CT n3 1 I CT Do cuộn dây động của cơ cấu chỉ thị được quấn bằng dây đồng mảnh, điện trở thay đổi đáng kể khi nhiệt độ của môi trường thay đổi và sau một thời gian làm việc bản thân dòng điện chạy qua cuộn dây cũng tạo ra nhiệt độ. Để giảm ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở cuộn dây khi nhiệt độ thay đổi, người ta mắc thêm điện trở bù bằng Manganin hoặc Constantan với sơ đồ như sau: Hình 1.2: Mắc điện trở bù nhiệt độ 1.1.1.3 Ampe kế xoay chiều cơ bản Để đo cường độ dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp người ta thường sử dụng ampe kế từ điện chỉnh lưu, ampe kế điện từ, và ampe kế điện động. 13
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - Ampe kế từ điện chỉnh lưu Kim chỉ thị dừng ở vị trí chỉ dòng trung bình qua cuộn dây động. Mối quan hệ giữa dòng đỉnh IP, dòng trung bình Itrb và dòng trung bình bình phương Irms của sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu như sau: Hình 1.3: Mạch Ampe kế chỉnh lưu từ điện Chú ý: Giá trị dòng kim chỉ thị dừng là giá trị dòng trung bình nhưng thang khắc độ thường theo giá trị rms Ampe kế có độ chính xác không cao (từ 1 tới 1,5) do hệ số chỉnh lưu thay đổi theo nhiệt độ và thay đổi theo tần số. Có thể sử dụng sơ đồ bù sai số do nhiệt và do tần số cho ampe kế chỉnh lưu như sau: Hình 1.4: Sơ đồ bù sai số do nhiệt và do tần số cho Ampe kế chỉnh lưu từ điện - Ampe kế điện động Ampe kế điện động là dụng cụ đo dòng điện dựa trên cơ cấu chỉ thị điện động. Khi dòng điện đo nhỏ hơn 0,5A người ta mắc nối tiếp cuộn tĩnh và cuộn động còn khi dòng lớn hơn 0,5A thì mắc song song. Đo dòng điện ở tần số 50Hz và cao hơn (400 ÷ 2.000Hz) với độ chính xác khá cao (cấp 0,5 – 0,2). 14
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Hình 1.5: Sơ đồ Ampe kế điện động Trong đó các điện trở và cuộn dây (L3, R3), (L4, R4) là để bù sai số do nhiệt (thường làm bằng manganin hoặc constantan) và sai số do tần số (để dòng qua hai cuộn tĩnh và cuộn động trùng pha nhau). Do độ lệch của dụng cụ đo điện động tỉ lệ với I2 nên máy đo chỉ giá trị rms. Giá trị rms của dòng xoay chiều có tác dụng như trị số dòng một chiều tương đương nên có thể đọc thang đo của dụng cụ như dòng một chiều hoặc xoay chiều rms. - Ampe kế điện từ Ampe kế điện từ dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ. Mỗi cơ cấu điện từ được chế tạo với số ampe vòng xác định (I.W hằng số). Do đó khi đo dòng có giá trị nhỏ người ta mắc các cuộn dây nối tiếp và khi đo dòng lớn người ta mắc các cuộn dây song song. Hình 1.6: Sơ đồ mắc các cuộn dây của Ampe kế điện từ 1.1.2 Đo điện áp 1.1.2.1 Khái niệm chung Dụng cụ dùng để đo điện áp gọi là Vôn kế hay Vôn met (Voltmeter). Kí hiệu như sau: . Yêu cầu chung đối với dụng cụ đo điện áp: Mắc Vôn kế đo điện áp phải mắc song song với đoạn mạch cần đo Công suất tiêu thụ càng nhỏ càng tốt, điện trở của Vôn kế càng lớn càng tốt và lý tưởng RV=∞. Làm việc trong một dải tần cho trước để đảm bảo cấp chính xác của dụng cụ đo. 1.1.2.2 Vôn kế một chiều Độ lệch của kim chỉ thị tỉ lệ với dòng qua cuộn dây động. Dòng qua cuộn dây tỉ lệ với điện áp trên cuộn dây. Nên coi Vôn kế là ampe kế dòng rất nhỏ với điện trở rất lớn. Điện áp định mức của cơ cấu chỉ thị khoảng 50mV ÷ 75mV nên cần nối tiếp nhiều điện trở phụ (còn gọi là điện trở nhân) để làm tăng khoảng đo của Vôn kế. 15
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Hình 1.7: Mắc điện trở phụ nối tiếp cơ cấu chỉ thị U CT U X I CT RCT RP RCT U CT (RP RCT ) U X RCT U X U CT U X => RP RCT ( 1)RCT (m 1)RCT U CT U CT U m X gọi là hệ số mở rộng thang đo về áp U CT Vôn kế nhiều thang đo thì các điện trở phụ được mắc như sau: Mắc các điện trở phụ nối tiếp Mắc các điện trở phụ song song Với Với 1.1.2.3 Vôn kế xoay chiều - Vôn kế từ điện đo điện áp xoay chiều Sử dụng cơ cấu từ điện thì dụng cụ có tính phân cực và phải mắc đúng sao cho độ lệch dương (trên thang đo). Để sử dụng dụng cụ đo từ điện làm thành dụng cụ đo xoay chiều người ta phải sử dụng các bộ chỉnh lưu (nửa sóng hoặc toàn sóng) để các giá trị của dòng chỉ gây ra độ lệch dương. (Tham khảo thêm phần Ampe kế từ điện đo dòng xoay chiều) Chú ý: để bù sai số do nhiệt và khi tần số thay đổi người ta mắc thêm vào mạch các điện trở làm bằng đồng hoặc maganin để bù nhiệt kết hợp với cuộn cảm và tụ bù tần số - Vôn kế từ điện 16
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Là dụng cụ để đo điện áp xoay chiều tần số công nghiệp. Cuộn dây tĩnh có số vòng dây rất lớn từ 1000 – 6000 vòng. Để mở rộng thang đo người ta mắc nối tiếp với cuộn dây các điện trở phụ. Các tụ C được mắc song song với các điện trở phụ để bù sai số do tần số khi tần số lớn hơn tần số công nghiệp. Hình 1.8: Sơ đồ mắc các cuộn dây của Vôn kế từ điện - Vôn kế điện động Cuộn kích được chia làm 2 phần nối tiếp nhau và nối tiếp với cuộn động. Độ lệch của kim chỉ thị tỉ lệ với I2 nên kim dừng ở giá trị trung bình của I2 tức giá trị tức thời rms. Hình 1.9: Sơ đồ mắc các cuộn dây của Vôn kế điện động Đặc điểm của Vôn kế điện động: Tác dụng của dòng rms giống như trị số dòng một chiều tương đương nên có thể khác độ theo giá trị một chiều và dùng cho cả xoay chiều Dụng cụ điện động thường đòi hỏi dòng nhỏ nhất là 100mA cho CCTT nên Vôn kế điện động có độ nhạy thấp hơn nhiều so với Vôn kế từ điện (chỉ khoảng 10Ω/V) Để giảm thiểu sai số chỉ nên dùng ở khu vực tần số công nghiệp 1.1.3 Đo điện trở 1.1.3.1 Khái niệm chung Có 2 phương pháp đo thông số điện trở của mạch là đo trực tiếp vμ đo gián tiếp. Đo gián tiếp: sử dụng ampe kế và vôn kế đo dòng và áp để từ các phương trình và định luật suy ra thông số điện trở hay 17
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Hình 1.10: Sơ đồ mắc Ampe kế và Vôn kế đo điện trở dựa theo định luật Ohm (a) (b) Hình 1.11: Sơ đồ mắc Ampe kế hoặc Vôn kế cùng điện trở mẫu đo điện trở Sơ đồ Hình 1.11a Sơ đồ Hình 1.11b Rđo mắc nối tiếp Rmẫu Rđo mắc song song Rmẫu Đo trực tiếp: dùng các thiết bị xác định trực tiếp thông số cần đo gọi là Ohmmet hay Ohm kế. 1.1.3.2 Ohm kế Khi đo điện trở bằng phương pháp gián tiếp như trên sai số của phép đo sẽ lớn vì nó sẽ bằng tổng các sai số do các dụng cụ gây ra. Để giảm thiểu sai số không mong muốn người ta chế tạo dụng cụ đo trực tiếp giá trị của điện trở gọi là Ohm met hay Ohm kế. Ohm kế là dụng cụ đo có cơ cấu chỉ thị từ điện với nguồn cung cấp là pin và các điện trở chuẩn. - Ohm kế nối tiếp Ohm kế nối tiếp mắc điện trở cần đo R x nối tiếp với cơ cấu chỉ thị CCTT. Ohm kế loại này thường dung để đo giá trị điện trở Rx cỡ từ Ω trở lên. 18
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - Rp là điện trở phụ bảo vệ CCTT, đảm bảo khi Rx = 0 dòng điện qua cơ cấu đo lớn nhất (hết thang chia độ) - Điện trở trong của Ohm kế Hình 1.13: Ohm kế nối tiếp Đặc điểm của Ohm kế nối tiếp: Thang chia của Ohm kế nối tiếp ngược chiều với thang chia của Ampe kế và Vôn kế. Chỉ số Ohm kế phụ thuộc vào nguồn pin bên trong nên để giảm sai số này, ta mắc thêm chiết áp Rm. Để kết quả chính xác dù pin bị yếu đi, mỗi lần sử dụng Ohm kế ta đều thực hiện thao tác điều chỉnh zero động / ADJ: ngắn mạch đầu vào (cho Rx = 0 bằng cách chập hai đầu que đo với nhau), vặn núm điều chỉnh của Rm để kim chỉ zero trên thang đo. Hình 1.14: Sơ đồ Ohm kế nối tiếp sử dụng chiết áp Rm - Ohm kế song song Ohm kế song song mắc điện trở cần đo R x song song với cơ cấu chỉ thị CCTT. Ohm kế loại này thường dung để đo giá trị điện trở Rx nhỏ. Hình 1.15: Sơ đồ Ohm kế song song sử dụng chiết áp Rm Đặc điểm của Ohm kế song song: 19
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Thang chia của Ohm kế song song cùng chiều với thang chia của Ampe kế và Vôn kế và không tuyến tính Để đảm bảo kết quả chính xác mắc thêm chiết áp Rm. 1.2 CÔNG DỤNG VÀ PHÂN LOẠI ĐỒNG HỒ ĐO LƯỜNG VẠN NĂNG 1.2.1 Công dụng đồng hồ đo lường vạn năng Đồng hồ vạn năng (VOM) là dụng cụ đo có nhiều chức năng khác nhau như: Chức năng cơ bản Ampemet, Vônmet và Ôhmmet (đo giá trị : điện áp một chiều, xoay chiều; dòng điện một chiều, xoay chiều; điện trở) Kiểm tra thông mạch Kiểm tra linh kiện bán dẫn như diode, transistor, thyristor, điac, triac .v.v. đo hệ số khuếch đại của Transistor Ngoài ra có một số đồng hồ còn có thể đo tần số dòng điện, điện dung tụ điện, kiểm tra bóng bán dẫn (transitor).v.v. 1.2.2 Phân loại đồng hồ vạn năng Có nhiều cách phân loại khác nhau, dựa vào cách hiển thị kết quả đo có thể phân chia đồng hồ vạn năng thành 2 loại: Đồng hồ vạn năng kim chỉ thị và đồng hồ vạn năng điện tử hiện số. 1.3 ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG KIM CHỈ THỊ 1.3.1 Cấu tạo đồng hồ vạn năng kim chỉ thị a. Cấu tạo bên ngoài Hình 1.16 Cấu tạo bên ngoài của đồng hồ vạn năng kim chỉ thị Kyoritsu KEW 1109S 1 – Kim chỉ thị 7 – Mặt chỉ thị 2 – Vít điều chỉnh điểm 0 tĩnh 8 – Mặt kính 3 – Đầu đo điện áp thuần xoay chiều 9 – Vỏ sau 4 – Đầu đo dương (+), hoặc P (Bán dẫn dương) 10 – Nút điều chỉnh 0Ω (0Ω ADJ) 20
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc 5 – Đầu đo chung (Com), hoặc N (Bán dẫn âm) 11 – Chuyển mạch chọn thang đo 6 – Vỏ trước 12 – Đầu đo dòng điện xoay chiều 15A b. Một số kí hiệu sử dụng trên đồng hồ Trên đồng hồ vạn năng kim hiển thị có một số kí hiệu như sau: Nội trở của đồng hồ: 20 KΩ /VDC 9KΩ/VDC Kí hiệu đo cả dòng xoay chiều và một chiều Phương đặt đồng hồ: o ┌┐ hoặc →: Phương đặt nằm ngang o┴ hoặc ↑: Phương đặt thẳng đứng o : Phương đặt xiên góc (thường là 45 0) Điện áp thử cách điện: 5 KV Bảo vệ bằng cầu chì và diode DC.V (Direct Current Voltage): Thang đo điện áp một chiều. AC.V (Alternating Current Voltage): Thang đo điện áp xoay chiều. DC.A (Direct Current Ampe): Thang đo dòng điện một chiều. AC.A (Alternating Current Ampe): Thang đo dòng điện xoay chiều Ω: Thang đo điện trở 0Ω ADJ (0Ω Adjust): Chỉnh không ôm (chỉnh điểm không động) COM (Common): Đầu chung, cắm que đo màu đen + : Đầu đo dương OUTPUT cắm que đo màu đỏ trong trường hợp đo điện áp thuần xoay chiều AC15A cắm que đo màu đỏ trong trường hợp đo dòng xoay chiều lớn cỡ A c. Cung chia độ - (A) Là cung chia thang đo điện trở Ω : Dùng để đọc giá trị khi sử dụng thang đo điện trở. Cung chia độ thang đo Ω có giá trị lớn nhất bên trái và nhỏ nhất bên phải (ngược lại với tất cả các cung còn lại). - (B) Là mặt gương: Dùng để giảm thiểu sai số khi đọc kết quả, khi đọc kết quả hướng nhìn phải vuông góc với mặt gương – tức là kim chỉ thị phải che khuất bóng của nó trong gương. - (C) Là cung chia độ thang đo điện áp: Dùng để đọc giá trị khi đo điện áp một chiều và thang đo điện áp xoay chiều 50V trở lên. Cung này có 3 vạch chia độ là: 250V; 50V; 10V 21
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Hình 1.17: Các cung chia độ trên mặt đồng hồ Kyoritsu KEW 1109S - (D) Là cung chia độ điện áp xoay chiều dưới 10V: Trong trường hợp đo điện áp xoay chiều thấp không đọc giá trị trong cung C. Vì thang đo điện áp xoay chiều dùng diode bán dẫn chỉnh lưu nên có sụt áp trên diode sẽ gây ra sai số. - (E) Là cung chia độ dòng điện xoay chiều tới 15A. - (F) Là cung chia độ đo hệ số khuếch đại dòng 1 chiều của transistor - hfe. - (G, H) Là cung chia độ kiểm tra dòng điện và điện áp của tải đầu cuối. - (I) Là cung chia độ thang đo kiểm tra dB: Dùng để đo đầu ra tín hiệu tần số thấp hoặc âm tần đối với mạch xoay chiều. Thang đo này sử dụng để độ khuếch đại và độ suy giảm bởi tỷ số giữa đầu vào và đầu ra mạch khuếch đại và truyền đạt tín hiệu theo đơn vị đề xi ben. d. Mạch điện bên trong đồng hồ Hình 1.18: Sơ đồ mạch điện bên trong đồng hồ Kyoritsu KEW 1109S - OUT PUT và COM: Đầu cắm que đo - Khối hiển thị gồm M: Cơ cấu đo và R22 - Khối nguồn: 2 pin 1,5V (BT1) và pin 9V (BT2) 22
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - Hệ thống điện trở bù nhiệt, làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ khi có dòng chạy qua CCCT: R23 điện trở bù bằng Cu mắc song song với CCCT và R18 điện trở bù bằng Mn mắc nối tiếp với CCCT. - Khối bảo vệ gồm có: F1: Cầu chì khi quá dòng D3: bảo vệ khung dây M của CCCT theo chiều thuận D2: bảo vệ khung dây M của CCCT theo chiều ngược - Khối đo gồm Đo điện áp một chiều DC.V: chuyển mạch (R1, R2, R3, R4, R5, R6) Đo dòng điện 1 chiều nhỏ Dm.A: chuyển mạch (R11, R12, R13) Đo điện áp xoay chiều AC.V: chuyển mạch (R7, R8, R9, R10); diode chỉnh lưu nửa sóng D1; Đo điện trở Ω: chuyển mạch (R14, R15, R16); điều chỉnh 0ΩADJ (VR1), R21, R20 và R19. 1.3.2 Các đại lượng đo được trên đồng hồ vạn năng a. Các đại lượngcơ bản: V – A – Ω (Hình 1.19 a) (a) Thang đo V – A – Ω (b) Thang đo khác Hình 1.19: Các thang đo trên đồng hồ vạn năng kim chỉ thị [1] DC.V: đo điện áp xoay chiều có 7 thang đo, từ 0,1V đến 1000V [2] DC.mA: Đo dòng điện 1 chiều, có 4 thang đo, từ 50A đến 250mA [3] AC.V: Đo điện áp xoay chiều, có 4 thang đo, từ 10V đến 1000V [4] AC 15A: Đo dòng điện xoay chiều đến 15A [5] Ω: Đo điện trở, có 4 thang đo, từ X1Ω đến X 10kΩ b. Các đại lượng khác (Hình 1.19 b) Ngoài đại lượng V – A – Ω, đồng hồ vạn năng còn đo được một số đại lượng khác như: [6] (22dB): Đo dB mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều tần số thấp (âm tần) [7] Chức năng khác ở các thang đo Ω [150mA, 15mA, 140A]: Đo dòng dò transistor, dòng đi qua tiếp giáp P-N, điện áp đặt trên tiếp giáp 23
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc [hFE]: Đo hệ số khuếch đại dòng tĩnh của transistor. 1.3.3 Cách đọc giá trị trên các cung chia độ của đồng hồ vạn năng Đồng hồ vạn năng có rất nhiều thang đo, mà mặt hiển thị có kích thước giới hạn, không thể ghi tất cả các cung chia độ cho mỗi thang. Chính vì vậy, khi đo chúng ta phải đọc giá trị của các cung chia độ cơ bản sau đó nhân (hoặc cộng) với hệ số mở rộng thang đo theo bảng sau. Đại lượng đo Thang đo Cung chia độ Hệ số mở rộng 0,1V C10 X 0,01 (chia 100) 0,5V C50 X 0,01 (chia 100) 2,5V C250 X 0,01 (chia 100) DC.V 10V C10 X 1 (Điện áp 1 chiều) 50V C50 X 1 250V C250 X 1 1000V C10 X 100 10V D10 X 1 AC.V 50V C50 X 1 (Điện áp xoay chiều) 250V C250 X 1 1000V C10 X 100 50A C50 X 1 2,5mA C250 X 0,01 (chia 100) DC.A 25mA C250 X 0,1 (chia 10) 250mA C250 X 1 AC.A 15A E15 X 1 Ω X 1Ω A0 - 2k X 1 (Điện trở) X 10Ω A0 - 2k X 10 X 1kΩ A0 - 2k X 1000 X 10kΩ A0 - 2k X 10.000 LI X 1Ω G15 X 10(mA) (Dòng điện chạy qua tải) X 10Ω G15 X 1(mA) X 1kΩ G15 X 10(A) X 10kΩ G15 X 4(A) LV X 1Ω H3 X 1(V) (Điện áp đặt trên tải) X 10Ω H3 X 1(V) X 1kΩ H3 X 1(V) X 10kΩ H3 X 4(V) 10V D10 X 1 Output 50V C50 X 1 24
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc 250V C250 X 1 1000V C10 X 100 10V I -22 ÷ 10 dB X 1 50V I -22 ÷ 10 dB X 1 + 14dB dB 250V I -22 ÷ 10 dB X 1 + 28dB 1000V I -22 ÷ 10 dB X 1 + 40dB hFE X 10Ω F 0 ÷ 1000 X1 Bảng 1.1: Đọc giá trị trên cung chia độ với mỗi thang đo 1.3.4 Một số chú ý khi sử dụng đồng hồ vạn năng kim chỉ thị a. Qui định chung khi sử dụng đồng hồ vạn năng [1] Đặt đồng hồ đúng phương qui định (thẳng đứng, nằm ngang hay xiên góc được kí hiệu trên mặt đồng hồ), nếu đặt sai sẽ gây sai số. [2] Cắm que đo đúng vị trí: que mầu đen luôn cắm vào cổng COM, que màu màu đỏ cắm vào cổng (+) hay OUTPUT .v.v. tùy thuộc vào thông số đo. [3] Trước khi tiến hành đo đạc cần xác định đại lượng cần đo để chọn chức năng thang đo phù hợp. [4] Xác định khảng giá trị của đại lượng đo để lựa chọn thang đo phù hợp. Khi chưa biết giá trị của đại lượng cần đo phải để đồng hồ ở thang cao nhất. [5] Khi chuyển thang đo phải ngắt que đo ra khỏi điểm đang đo. [6] Khi không sử dụng đồng hồ, đặt chuyển mạch về vị trí OFF hoặc thang đo điện áp xoay chiều lớn nhất Khi đặt nhầm thang đo tùy mức độ có thể làm hỏng đồng hồ hoặc kết quả phép đo không chính xác. Đại lượng DC.V AC.V DC.A AC.A Ω Điện áp DC OK Sai KQ HỎNG HỎNG HỎNG Điện áp AC Không có KQ OK HỎNG HỎNG HỎNG Dòng điện DC Sai KQ Sai KQ OK HỎNG HỎNG Dòng điện AC Không có KQ Sai KQ Không có KQ OK HỎNG Điện trở Không có KQ Không có KQ Không có KQ Không có KQ OK Bảng 1.2: Hư hỏng đồng hồ vạn năng khi đặt nhầm thang đo b. Các bước chuẩn bị - Kiểm tra vị trí “0 tĩnh” Kiểm tra kim chỉ thị có ở vị trí "0 tĩnh" số không ở bên trái cung chia độ có đúng vị trí hay không? Nếu kim bị lệch khỏi vị trí này, xoay vít điều chỉnh “0 tĩnh” để kim chỉ thị về vị trí số “0”. Nếu không điều chỉnh kim chỉ thị về “0” kết quả đo không chính xác. 25
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - Kiểm tra pin 1,5V Đặt chuyển mạch về vị trí x1Ω, cắm que đo vào đầu COM và que đỏ vào cổng (+) của đồng hồ. Chập 2 que đo với nhau, quan sát kim chỉ thị: Kim chỉ thị không quay thì có thể là không có pin AA-1,5V (pin tiểu) hoặc cầu chì bảo vệ bị nổ. Kim chỉ thị quay, điều chỉnh núm không động 0Ω ADJ để điều chỉnh kim về vị trí 0Ω. Nếu đồng hồ không lên được vị trí điểm “0 động” thì pin bị yếu. Khi đó cần thay thế các pin AA-1,5V. - Kiểm tra pin 9V Đặt chuyển mạch về vị trí x10kΩ, cắm que đo vào đầu COM và que đỏ vào cổng (+) của đồng hồ. Chập 2 que đo với nhau, quan sát kim chỉ thị: Kim chỉ thị không quay, thì có thể là không có pin 9V (Pin vuông). Kim chỉ thị quay, điều chỉnh núm không động 0Ω ADJ để điều chỉnh kim về vị trí 0Ω. Nếu xoay núm điều chỉnh “0Ω” mà kim đồng hồ không lên được vị trí điểm “0 động” thì pin 9V yếu – cần thay pin 9V. - Chú ý khi thay pin và cầu chì Khi thay pin cần chú ý không dùng 1 pin mới với 1 pin cũ. Thay pin đúng loại, các cực của pin chính xác. Khi cầu chì bị nổ, thay cầu chì mới có dòng bảo vệ bằng cầu chì cũ, tuyệt đối không dùng dây điện thay cầu chì. 1.3.5 Sử dụng đồng hồ đo các đại lượng 1.3.5.1 Đo điện áp một chiều (DC.V) Chú ý: - Khi đo điện áp cao hơn 250V, cần tắt nguồn điện, nối dây đồng hồ vào điểm cần đo, sau đó mới bật nguồn. Không chạm vào dây đo đồng hồ, ghi lại kết quả đo, tắt nguồn rồi mới tháo dây đo đồng hồ ra khỏi điểm cần đo. - Không để chuyển mạch ở vị trí thang đo mA hay Ω, nếu không đồng hồ sẽ hỏng. - Không cắm que đo sang đầu đo dòng điện 15A xoay chiều. - Để đồng hồ ở thang đo một chiều mà đo điện áp xoay chiều, kim chỉ thị sẽ không lên, tuy nhiên dòng qua đồng hồ lớn có thể làm hỏng đồng hồ. Cách thực hiện - Cắm que đo màu đen vào đầu COM, que đo màu đỏ vào đầu (+) - Đặt chuyển mạch ở thang đo DC.V lớn hơn nhưng gần nhất với giá trị cần đo để kết quả đo là chính xác nhất. Ví dụ: đo điện áp 220V thì có 2 thang lớn hơn là 250V và 1000V, nhưng thang 250V sẽ cho kết quả chính xác hơn. 26
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - Đặt 2 que đo vào 2 điểm cần đo (Đo song song). Que đen vào điểm có điện thế thấp, que đỏ vào điểm có điện thế cao. - Tính kết quả đo được V = A x (B/C) Với V là giá trị điện áp thực A – Là số chỉ của kim đọc được trên cung chia độ B – Là thang đo đang sử dụng C – Là giá trị MAX của cung chia độ Tỷ lệ B/C là hệ số mở rộng (Tham khảo bảng 1.1) Hình 1.20: Tính giá trị điện áp 1.3.5.2 Đo điện áp xoay chiều (AC.V) Chú ý: - Khi đo điện áp cao hơn 250V, cần tắt nguồn điện, nối dây đồng hồ vào điểm cần đo, sau đó mới bật nguồn. Không chạm vào dây đo đồng hồ, ghi lại kết quả đo, tắt nguồn rồi mới tháo dây đo đồng hồ ra khỏi điểm cần đo. - Không để chuyển mạch ở vị trí thang đo mA hay Ω, nếu không đồng hồ sẽ hỏng. - Không cắm que đo sang đầu đo dòng điện 15A xoay chiều. - Đặt chuyển mạch đồng hồ ở vị trí đo điện áp xoay chiều mà đo điện áp 1 chiều, kim đồng hồ vẫn lên nhưng kết quả là không chính xác. - Đối với thang đo xoay chiều 10V cần đọc ở cung chia độ riêng của nó thì kết quả mới chính xác (cung D10) Cách thực hiện - Cắm que đo màu đen vào đầu COM, que đo màu đỏ vào đầu (+) - Đặt chuyển mạch ở thang đo AC.V lớn hơn nhưng gần nhất với giá trị cần đo để kết quả đo là chính xác nhất. - Đặt 2 que đo vào 2 điểm cần đo (Đo song song). Không cần quan tâm đến cực tính của đồng hồ - Tính kết quả đo được giống trường hợp đo điện áp một chiều. 1.3.5.3 Đo dòng điện 1 chiều Chú ý: - Phạm vi đo được của đồng hồ lớn nhất là 250mA. - Các đầu đo của đồng hồ phải được kết nối chắc chắn với mạch điện cần đo. Nếu kết nối chập chờn có thể phát sinh những xung điện gây nguy hiểm cho mạch hoặc đồng hồ đo. - Không bao giờ thực hiện đo điện áp với các thang đo dòng điện. Các cầu chì có thể bị nổ hoặc hỏng đồng hồ. - Đặc biệt là khi có điện áp cao hơn 250V được đặt vào thang đo dòng điện, cầu chì có thể không bảo vệ được mạch điện bên trong, nhiều linh kiện sẽ bị hỏng. 27
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Cách thực hiện: - Cắm que đo màu đen vào đầu COM, que đo màu đỏ vào đầu (+) - Đặt chuyển mạch của đồng hồ ở thang DC.A - 250mA. - Tắt nguồn điện của các mạch thí nghiệm. - Kết nối que đo màu đỏ của đồng hồ về phía cực dương (+) và que đo màu đen về phía cực âm (-) theo chiều dòng điện trong mạch thí nghiệm. Mắc đồng hồ nối tiếp với mạch thí nghiệm - Bật điện cho mạch thí nghiệm. - Khi kết quả đọc được nhỏ hơn 25mA, đặt chuyển mạch sang vị trí DC.A – 25mA để được kết quả chính xác hơn. Tương tự, khi kết quả nhỏ hơn 2,5mA thì đặt chuyển mạch sang vị trí DC.A – 2,5mA. Tức là bắt đầu từ thang lớn nhất, sau đó giảm dần thang đo đến khi chọn được thang lớn hơn nhưng gần nhất với giá trị dòng điện cần đo. - Đọc và tính giá trị: Đọc trên cung chia độ C, tính giá trị giống trường hợp đo điện áp 1 chiều. Tức là giá trị thực bằng số chỉ của kim trên cung chia độ nhân với thang đo và chia cho giá trị MAX trên cung chia độ đó (xem phần tính giá trị đo điện áp 1 chiều). 1.3.5.4 Đo dòng điện xoay chiều. Chú ý: - Phạm vi đo được dòng điện xoay chiều lên đến 15A. - Thang đo này không có cầu chì bảo vệ nên nếu nhầm lẫn sẽ gây hư hỏng nghiêm trọng. - Không dùng thang đo dòng điện xoay chiều để đo điện áp. Cách thực hiện: - Cắm que đo màu đen vào đầu COM, que đo màu đỏ vào đầu AC – 15A - Đặt chuyển mạch của đồng hồ ở thang AC – 15A. - Tắt nguồn điện của các mạch thí nghiệm. - Kết nối 2 que đo của đồng hồ về phía 2 điểm cần đo dòng điện của mạch thí nghiệm (Mắc nối tiếp). - Bật điện cho mạch thí nghiệm. - Đọc và tính giá trị: Đọc trên cung chia độ E15, tính giá trị giống trường hợp đo điện áp 1 chiều. Tức là giá trị thực bằng số chỉ của kim trên cung chia độ nhân với thang đo và chia cho giá trị MAX trên cung chia độ đó (xem phần tính giá trị đo điện áp 1 chiều). 1.3.5.5 Đo điện trở (Ω) Chú ý: 28
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - Không bao giờ được đo điện trở trong mạch đang được cấp điện.Trước khi đo điện trở trong mạch hãy tắt nguồn trước. - Không để đồng hồ ở thang đo điện trở mà đo điện áp và dòng điện - đồng hồ sẽ hỏng ngay lập tức (Bảng 1.2). - Khi đo điện trở nhỏ (cỡ 10kΩ), tay không được tiếp xúc đồng thời vào cả 2 que đo, vì nếu tiếp xúc như vậy điện trở của người sẽ mắc song song với điện trở cần đo làm giảm kết quả đo. Cách thực hiện: - Cắm que đo màu đen vào đầu COM, que đo màu đỏ vào đầu (+) - Đặt 2 que đo vào 2 đầu điện trở (Đo song song). Chọn thang đo sao cho khi đo điện trở cần xác định, độ lệch của kim ở khoảng ½ thang đo. - Giữ nguyên thang đo này, bỏ điện trở, chập que đo vặn núm chỉnh 0ΩADJ để kim chỉ ở điểm 0 động. Hình 1.21a - Đo điện trở lại một lần nữa, kết quả lần này là chính xác. Hình 1.21b Hình 1.21a: Cách đo điện trở Hình 1.21b: Cách tính giá trị điện trở - Tính kết quả đo được R = A x B R - Giá trị thực của điện trở A - Là số chỉ của kim trên cung chia độ B - Là thang đo 1.3.5.6 Đo các thông số khác A.V.O a. Đo dB đối với lối ra tín hiệu tần số thấp Chú ý: - dB (decibel) là một đơn vị dùng để đo tỉ lệ giữa đầu ra và đầu vào của mạch khuếch đại hoặc một mạch truyền đạt, mạch hồi tiếp tần số thấp. Tỷ lệ này được tính theo hàm logarit cơ số 10 (gọi tắt là hàm loga), tai người cũng cảm nhận cường độ âm 29
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc thanh theo hàm loga của công suất âm thanh. Giá trị biểu diễn các tỷ lệ này theo hàm loga là dB, một Decibel bằng một phần mười Bel (đơn vị Bel ít dùng). - Nếu điện trở tải không đổi, hai giá trị công suất được so sánh với nhau thông qua tỉ lệ hai giá trị điện áp (hoặc dòng điện) ở đầu ra và đầu vào theo dB. Để đơn giản thường người ta đo tỉ lệ điện áp giữa đầu ra và đầu vào. - Các thông số dB trên thang đo được tham chiếu đến ngưỡng chuẩn 0dB - là công suất 0,001 watt (một miliwatt), hoặc điện áp AC 0.775V trên điện trở tải 600Ω. Do đó, đầu ra trong một mạch có trở kháng 600Ω có thể được đọc trực tiếp từ thang đo dB. Khi trở kháng của một mạch không phải 600 ohms, kết quả đọc trên thang dB chỉ đơn giản là kết quả của đo điện áp AC trên thang dB tương ứng. Cách thực hiện: - Cắm que đo màu đen vào đầu COM, que đo màu đỏ vào đầu (+) - Đặt chuyển mạch của đồng hồ ở thang AC.V. - Đối với thang AC.V – 10V đọc trực tiếp cung chia độ dB (cung I -10 ÷ +22dB) Đối với các thang đo AC.V khác cũng đọc giá trị trên cung dB và tính hệ số mở rộng theo bảng 1.3. Thang đo AC.V - 10V AC.V - 50V AC.V - 250V AC.V - 1000V Hệ số mở rộng +0 +14dB +28dB +40dB Giá trị cực đại +22dB +42dB +50dB +62dB Bảng 1.3: Hệ số mở rộng ở các thang đo dB b. Đo lối ra tín hiệu tần số thấp dùng đầu đo OUTPUT Chú ý: - Đầu đo này dùng để đo, phát hiện tín hiệu tần số thấp ở các bộ khuếch đại như mạch khuếch đại âm tần, mạch đồng bộ, mạch quét của TV. Đầu đo này có tụ điện cách ly nhằm loại bỏ thành phần 1 chiều của tín hiệu xoay chiều (cắt bỏ offset), tín hiệu đo là thuần xoay chiều. - Khi đo điện áp cao hơn 250V, cần tắt nguồn điện, nối dây đồng hồ vào điểm cần đo, sau đó mới bật nguồn. Không chạm vào dây đo đồng hồ, ghi lại kết quả đo, tắt nguồn rồi mới tháo dây đo đồng hồ ra khỏi điểm cần đo. - Không để chuyển mạch ở vị trí thang đo mA hay Ω, nếu không đồng hồ sẽ hỏng. - Đầu OUTPUT được cách ly với đầu (+) của đồng hồ bằng 1 tụ điện, do đó nếu tần số tín hiệu lớn quá hay nhỏ quá đều ảnh hưởng đến kết quả đo. Sử dụng bảng dưới đây để hiệu chỉnh kết quả đo. 30
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Hình 1.22: Đặc tuyến theo tần số của thang đo OUTPUT Cách thực hiện: - Cắm que đo màu đen vào đầu COM, que đo màu đỏ vào đầu Output. - Chọn thang đo phù hợp với biên độ tín hiệu vào (giống trường hợp đo AC.V) - Đọc kết quả tại cung chia độ AC.V hoặc decibel c. Đo LI, LV và kiểm tra tiếp giáp P-N Chú ý: - Không bao giờ được đo điện trở trong mạch đang được cấp điện.Trước khi đo điện trở trong mạch hãy tắt nguồn trước. - Không để đồng hồ ở thang đo điện trở mà đo điện áp và dòng điện - đồng hồ sẽ hỏng ngay lập tức (Bảng 1.5). - Ở thang đo điện trở, que đo màu đen tương ứng với cực dương của nguồn pin trong đồng hồ, que đo màu đỏ tương ứng cực âm. Điều này cần chú ý khi đo linh kiện có cực tính như diode, transistor - Khi dùng thang đo Ω để đo các linh kiện, dòng điện chạy qua nó là LI, dòng điện này gây sụt áp trên nó là LV. Dùng thang đo điện trở, đọc kết quả trên cung chia độ LI (cung) G và LV (cung H) sẽ biết được 2 thông số này. Các thông số này đặc biệt cần thiết đối với các tiếp giáp P-N. - Hình cho chúng ta biết cực tính và cách đo các thông số của tiếp giáp P-N. Hình 1.25: Cực tính của thang đo điện trở của đồng hồ khi đo tiếp giáp Cách thực hiện: - Cắm que đo màu đen vào đầu COM, que đo màu đỏ vào đầu (+) - Đặt chuyển mạch của đồng hồ ở thang Ω. - Chập que đo để chỉnh 0Ω mỗi khi chuyến thang đo như trường hợp đo điện trở - Đọc giá trị trên cung chia độ LI (cung G) và LV (cung H), tùy thang đo ta có hệ số mở rộng theo bảng 1.7 dưới đây. Thang đo X1 X10 X1kΩ X10kΩ 31
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Hệ số mở rộng X 10 (mA) X 1 (mA) X 10 (A) X 4 (A) LI Max 150 (mA) 15 (mA) 150 (A) 60 (A) LV Max 3V 3V 3V 12V Bảng 1.4: Hệ số mở rộng ở các thang đo LI, LV Kiểm tra lớp tiếp giáp P-N Để kiểm tra diode đặt chuyển mạch về vị trí X 10Ω và đo 2 chiều theo sơ đồ IT: Dòng điện qua diode theo chiều thuận IN: Dòng điện qua diode theo chiều ngược Nếu quan sát trên cung chia độ đo điện trở thì do IN > RT Trên cung LV thì theo chiều thuận giá trị này khoảng 0,5 – 0,7V đối với bán dẫn Silicon và 0,2 – 0,4V đối với bán dần Germanium Hình 1.26: Kiểm tra diode Kiểm tra diode phát quang (LED) cũng tương tự như kiểm tra diode thường, khi phân cực thuận LED sẽ phát sáng và giá trị đọc được trên cung LV khoảng 1,5 – 2,2V. Khi kiểm tra LED nhỏ (Φ3mm) thì để ở thang X 10Ω, kiểm tra LED lớn (Φ5- Φ10mm) thì để thang X 1Ω. d. Đo dòng dò của transistor (ICE0) Chú ý: - Dòng điện rò của transistor là dòng IC khi chưa có dòng phân cực IB, dòng điện này thay đổi đáng kể không theo điện áp UCE, nhưng nó thay đổi theo đặc trưng của từng loại transistor. Chú ý, dòng điện rò rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ (nhiệt độ tăng 100C thì nó tăng khoảng hai lần) - Khi đo ICE0, không chạm tay vào cực Base của bóng bán dẫn. Vì nếu chạm tay vào sẽ có dòng điện cực Base và tăng ICE0. Cách thực hiện: - Cắm que đo màu đen vào đầu COM, que đo màu đỏ vào đầu (+) - Đặt chuyển mạch của đồng hồ ở thang X 1kΩ hoặc X 10kΩ. - Chập que đo để chỉnh 0Ω mỗi khi chuyến thang đo như trường hợp đo điện trở - Kết nối que đo đến chân transistor theo sơ đồ như hình 1.13 Hình 1.27: Đo dòng điện rò ICE0 của 2 loại transistor 32
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - Thể hiện mạch điện bên trong của đồng hồ vào sơ đồ đo dòng dò I CE0 của Transistor ngược ta được sơ đồ sau Hình 1.28: Sơ đồ đo dòng điện rò ICE0 của transistor - Dòng điện I CEO trên hình chính là dòng điện rò của transistor. Giá trị dòng điện này được đọc trên cung LI của đồng hồ. - Với transistor Silicon, dòng điện rò này rất nhỏ nên hầu như kim chỉ thị của đồng hồ gần như không nhúc nhích. Nếu kim đồng hồ lên nhiều thì có thể transistor bị hỏng. - Với transistor Germanium, dòng điện rò này khá lớn khi transistor vẫn còn tốt. Tùy theo loại transistor mà dòng dò này lớn hay nhỏ, nhưng nhìn chung với loại transistor công suất nhỏ thì dòng rò cỡ 0,1 – 2mA còn loại công suất lớn cỡ 1 – 5mA. Nếu dòng rò của transistor lớn hơn giá trị này thì có thể transistor bị hỏng. e. Đo hệ số khuếch đại dòng tĩnh của transistor (hFE) Chú ý: - Khi đo hFE, chú ý không chạm tay đồng thời vào 2 cực của transistror. - Không đo hFE khi transistor đang ở trong mạch. - Để đo hệ số khuếch đại dòng tĩnh của transistor (hFE) của transistor cần có bộ dây đo riêng hoặc phải có điện trở phân cực để cung cấp dòng điện vào cực B cho transistor như hình 1.29. Hình 1.29: Bộ que đo để xác định hFE của transistor - Transistor được nối với đồng hồ theo sơ đồ nguyên lý dưới đây: Hình1.30: Sơ đồ mạch đo hFE của transistor 33
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Nhìn trên hình ta thấy: 2 đầu đo thang Ω của đồng hồ được mắc trực tiếp vào cực C và E của transistor, nguồn pin 3V trong đồng hồ cung cấp điện áp UCE cho 2 cực này. Điện trở R nối giữa cực C và cực B của transistor nhằm cung cấp dòng điện I B cho transistor, ta có: IB = IR = UBC / R = (UCE – UBE) / R Với UCE = 3V (nguồn 2 pin) và U BE 0,6V(đối với transistor silicon), R =24 kΩ ta có : IB 0,1mA = 100A. Hệ số khuếch đại dòng tĩnh của transistro: h FE = IC / IB do dòng IB đã biết nên chỉ cần đo IC là biết được hFE. Cách thực hiện: - Để chuyển mạch ở thang đo hFE (hay thang đo X10Ω) - Chỉnh 0ΩADJ ở thang đo này - Tùy loại transistor mà mắc theo sơ đồ dưới đây (hình ) chú ý rằng khi đổi loại transistor thì phải đổi lại chân que đo. Hình 1.31: Cách mắc transistror để đo hFE - Ban đầu ta chỉ nối cực đồng hồ vào cực C và E (cực B để hở), kim đồng hồ chỉ giá trị dòng rò của transistor. Nếu giá trị này lớn thì transistor bị hỏng. - Nối thêm que đo vào cực B của transistor, kim đồng hồ sẽ quay, góc quay phụ thuộc vào giá trị hFE của từng transistor. Đọc giá trị này trên cung chia độ hFE (cung F). Nếu khi nối thêm que đo vào cực B mà kim đồng hồ không chuyển động thì transistor bị hỏng. 1.4 ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG HIỂN THỊ SỐ 1.4.1 Chức năng đồng hồ vạn năng hiển thị số Đồng hồ vạn năng điện tử (còn gọi vạn năng kế điện tử) là một đồng hồ vạn năng sử dụng các linh kiện điện tử chủ động nên cần có nguồn điện như pin. Kết quả của phép đo thường được hiển thị trên một màn tinh thể lỏng nên đồng hộ còn được gọi là đồng hồ vạn năng điện tử hiện số. Việc lựa chọn các đơn vị đo, thang đo hay vi chỉnh thường được tiến hành bằng các nút bấm hay một công tắc xoay có nhiều nấc. Nhiều vạn năng kế hiện đại có thể tự động chọn thang đo. Vạn năng kế điện tử còn có thể có thêm các chức năng sau: 34
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Kiểm tra nối mạch: máy kêu "bíp" khi điện trở giữa 2 đầu đo gần bằng 0. Hiển thị số thay cho kim chỉ trên thước. Thêm các bộ khuyếch đại điện để đo hiệu điện thế hay cường độ dòng điện nhỏ, và điện trở lớn. Đo độ tự cảm của cuộn cảm và điện dung của tụ điện. Có ích khi kiểm tra và lắp đặt mạch điện. Kiểm tra diode và transistor Hỗ trợ cho đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt. Đo tần số trung bình, khuyếch đại âm thanh, để điều chỉnh mạch điện của radio. Nó cho phép nghe tín hiệu thay cho nhìn thấy tín hiệu (như trong dao động kế). Dao động kế cho tần số thấp. Xuất hiện ở các vạn năng kế có giao tiếp với máy tính. Lưu giữ số liệu đo đạc (ví dụ của hiệu điện thế). 1.4.2 Cấu tạo đồng hồ vạn năng hiển thị số a. Các kí hiệu trên đồng hồ V~: Thang đo điện áp xoay chiều. V- : Thang đo điện áp một chiều. A~: Thang đo dòng điện xoay chiều. A- : Thang đo dòng điện một chiều. Ω: Thang đo điện trở F: Thang đo điện dung hFE: Thang đo hệ số khuyếch đại dòng tĩnh b. Cấu tạo bên ngoài Hình 1.32 Cấu tạo mặt đồng hồ vạn năng hiển thị số EXCEL-DT9205A 35
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc c. Các thang đo đồng hồ vạn năng kim chỉ thị Hình 1.33 Các thang đo của đồng hồ vạn năng hiển thị số EXCEL-DT9205A (1) : Thang đo diode/ thông mạch dùng để kiểm tra thông mạch và kiểm tra lớp tiếp giáp P-N (2) A- : Các thang đo dòng điện một chiều (3) A~: Các thang đo dòng điện xoay chiều (4) F: Các thang đo điện dung (8) Ω: Các thang đo điện trở (6) V- : Các thang đo điện áp một chiều (7) V~: Các thang đo điện áp xoay chiều (8) hFE: Thang đo hệ số khuyếch đại β d. Đồng hồ có các đầu cắm que đo như sau: COM (Common): Đầu chung, cắm que đo màu đen V/Ω : Đầu đo dương màu đỏ, được sử dụng để đo điện trở và điện áp (một chiều và xoay chiều) 20A: Đầu cắm que đo màu đỏ trong trường hợp đo dòng điện lớn cỡ A mA: Đầu cắm que đo màu đỏ trong trường hợp đo dòng điện nhỏ cỡ mA 1.4.3 Qui định chung khi sử dụng đồng hồ vạn năng [1] Cắm que đo đúng vị trí: que mầu đen luôn cắm vào cổng COM, que màu màu đỏ cắm vào cổng khác tùy thuộc vào thông số đo. [2] Trước khi tiến hành đo đạc cần xác định đại lượng cần đo để chọn chức năng thang đo phù hợp. [3] Xác định khảng giá trị của đại lượng đo để lựa chọn thang đo phù hợp. Khi chưa biết giá trị của đại lượng cần đo phải để đồng hồ ở thang cao nhất. [4] Khi chuyển thang đo phải ngắt que đo ra khỏi điểm đang đo. 36
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc [5] Khi không sử dụng đồng hồ, đặt chuyển mạch về vị trí OFF. 1.4.4 Sử dụng đồng hồ đo các đại lượng a. Đo điện áp: - Để đồng hồ ở thang đo V~ để đo điện áp xoay chiều và thang V- để đo điện áp một chiều - Que đen cắm cổng chung COM, que đỏ cắm vào cổng V/Ω. - Quy tắc đo tương tự qui tắc đo của đồng hồ vạn năng kim chỉ thị. Kết quả đo đọc trực tiếp trên màn hình LCD. b. Đo dòng điện: - Để đồng hồ ở thang đo A~ để đo dòng điện xoay chiều và thang A- để đo dòng điện một chiều. - Que đen cắm cổng chung COM, que đỏ cắm vào cổng 20A nếu đo dòng có cường độ lớn cỡ A và cổng mA nếu đo dòng có cường độ nhỏ cỡ mA . - Quy tắc đo tương qui tắc đo của đồng hồ vạn năng kim chỉ thị. Kết quả đo đọc trực tiếp trên màn hình LCD. c. Đo điện trở: - Để đồng hồ ở thang đo điện trở Ω - Que đen cắm cổng chung COM, que đỏ cắm vào cổng V/Ω. - Điểm khác biệt so với sử dụng đồng hồ vạn năng kim chỉ thị là: không cần điều chỉnh không tĩnh ở mỗi thang đo điện trở và kết quả đo hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD. d. Đo kiểm tra lớp tiếp giáp P-N và kiểm tra thông mạch: - Kiểm tra thông mạch: Để đồng hồ ở thang đo điốt/thông mạch Que đen cắm cổng chung COM, que đỏ cắm vào cổng V/Ω. Chạm hai đầu que đo vào đoạn mạch cần kiểm tra, nếu đồng hồ có tiếng kêu “bip” tức đoạn mạch đó thông và ngược lại. - Kiểm tra lớp tiếp giáp P-N: Để đồng hồ ở thang đo điốt/thông mạch Que đen cắm cổng chung COM, que đỏ cắm vào cổng V/Ω. Khi diode được phân cực thuận thì sụt áp <1 (khoảng 0.6 đối với Si, 0,4 đối với loại Ge) còn khi diode được phân cực ngược thì không có sụt áp (giái trị bằng “1”) thì diode đó hoạt động tốt. Lưu ý khi sử dụng đồng hồ vạn năng hiển thị số kiểm tra lớp tiếp giáp thì que đen sẽ là (-) nguồn pin và que đỏ là (+) nguồn pin. Ứng dụng thang đo này để kiểm tra, xác định vị trí chân các linh kiện bán dẫn như diode, transistor.v.v. 37
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc e. Đo hệ số khuyếch đại ß của transitor Để đồng hồ ở thang đo hFE Trên đồng hồ có sẵn các khe cắm chân transitor nên trước khi đo cần xác định loại transitor (npn hay pnp) và vị trí các chân B, C, E để cắm vào các khe tương ứng. 38
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc CHƯƠNG 2: MÁY HIỆN SÓNG ĐIỆN TỬ (OSCILLOSCOPE) 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2.1.1 Định nghĩa Máy hiện sóng điện tử hay còn gọi là dao động ký điện tử (electronic oscilloscope) là một dụng cụ hiển thị dạng sóng rất thông dụng. Nó chủ yếu được sử dụng để vẽ dạng của tín hiệu điện thay đổi theo thời gian. Máy hiện sóng có thể được dùng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau, không đơn thuần chỉ trong lĩnh vực điện tử. Với một bộ chuyển đổi hợp lý ta có thể đo được thông số của hầu hết tất cả các hiện tượng vật lý bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi (tạo ra tín hiệu điện tương ứng với đại lượng cần đo, ví dụ như các bộ cảm biến âm thanh, ánh sáng, độ căng, độ rung, áp suất hay nhiệt độ ) 2.1.2 Công dụng Máy hiện sóng được sử dụng để xác định: Giá trị điện áp và thời gian tương ứng của tín hiệu Tần số (chu kì) dao động của tín hiệu Góc lệch pha giữa hai tín hiệu Dạng sóng tại mỗi điểm khác nhau trên mạch điện tử Thành phần của tín hiệu gồm thành phần một chiều và xoay chiều Trong tín hiệu có bao nhiêu thành phần nhiễu và nhiễu đó có thay đổi theo thời gian hay không 2.1.3 Phân loại Trên thực tế có rất nhiều loại máy hiện sóng, với nhiều cách phân loại khác. Dựa theo cách hiển thị tín hiệu, máy hiện sóng chia ra làm hai loại: Máy hiện sóng dùng đèn hình ống tia điện tử CRT: sử dụng đèn hình có cực Katot được đốt nóng. Loại này có cấu trúc cồng kềnh, tín hiệu điều khiển là tương tự hoặc số, tần số đo từ vài trăm Hz đến vài trăm MHz. Máy hiện sóng dùng màn hình tinh thể lỏng LCD: có cấu trúc gọn nhẹ, điều khiển bằng kĩ thuật số, có khả năng lưu trữ dữ liệu và giao tiếp với máy tính, tần số đo từ vài chục Hz đến vài trăm MHz. Dựa theo nguyên lí làm việc, máy hiện sóng chia ra làm: Máy hiện sóng thông dụng: là loại phổ biến dùng để khảo sát các quá trình có tần số thấp, tín hiệu xung. Dải tần hoạt động có thể đạt 100MHz, dải điện áp từ mV đến hàng trăm V. Máy hiện sóng vạn năng: có khả năng sử dụng để thực hiện nhiều chức năng bằng cách thay thế các mảng lắp ghép khác nhau theo yêu cầu. Loại này dùng để khảo sát các tín hiệu đa hài cũng như tín hiệu xung. Dải tần hoạt động tới hàng trăm MHz, dải điện áp từ vài chục µV đến hàng trăm V. 39
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Máy hiện sóng tốc độ nhanh: là thiết bị dùng để quan sát và ghi lại các tín hiệu xung ngắn, các tín hiệu quá độ hoặc các xung tuần hoàn có tần số cao. Dải tần hoạt động có thể tới hàng chục GHz. Máy hiện sóng lấy mẫu: dùng để khảo sát và ghi lại các tín hiệu tuần hoàn trong dải tần rộng đến vài GHz. Máy hiện sóng có nhớ: dùng để khảo sát các tín hiệu tức thời, tuần hoàn chậm, tín hiệu quá độ, tín hiệu ngắn. Máy hiện sóng cài đặt: là loại thiết bị thống minh, các chức năng đều do bộ vi xử lý điều khiển tự động và có thể ghép nối với máy tính, lưu giữ số liệu, in được các dạng sóng 2.2 MÁY HIỆN SÓNG DÙNG ĐÈN CRT 2.2.1 Ống phóng tia điện tử CRT 2.2.1.1 Cấu tạo Ống phóng tia điện tử CRT (Cathode Ray Tube) là một ống chân không với các hệ thống điện cực và màn huỳnh quang. Chùm electron do Katot phát ra sẽ được hướng tới màn hình theo sự điều khiển từ bên ngoài và làm phát sáng lớp photpho tại điểm chúng đập vào. Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo ống phóng tia điện tử CRT +Màn hình hiển thị: được cấu tạo bới các điểm Phosphor có khả năng phát sáng khi có chùm tia điện tử đập vào nó. + Katot: làm bằng niken hình trụ đáy phẳng phủ oxit để phát ra điện tử. Katot có điện thể khoảng 2kV. + Sợi đốt Heater: nằm bên trong Katot có nhiệm vụ nung nóng Katot, giúp tăng cường số điện tử do Katot phát xạ ra. Sợi đốt có điện thế khoảng 6,3V. + Lưới: là một cốc Niken có lỗ ở đáy bao phủ lấy katot. Thế của lưới xấp xỉ 2kV đến 2,05kV để điều khiển dòng electron từ katot hướng tới màn hình. Khi thế của 40
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc lưới thay đổi sẽ điều chỉnh lượng electron bắn ra khỏi katot, tức làm cho điểm sáng trên màn hình có độ chói khác nhau. Vì vậy thành phần điều khiển thế của lưới còn gọi là thành phần điều khiển độ chói + Hệ thống Anot A1, A2, A3: A1 có dạng hình trụ, một đầu hở và một đầu kín có lỗ ở giữa cho electron đi qua. A1 tiếp đất nên có thế dương hơn Katot, electron được gia tốc từ katot qua lưới và Anot để đến màn hình. A2 có thế 2kV để tạo ra các đường đẳng thế làm cho electron chuyển động qua Anot có tốc độ ổn định. A3 giúp chùm electron sẽ bị hội tụ lại làm cho các electron hướng tới 1 điểm nhỏ trên màn hình, tức hình ảnh hiển thị được rõ nét + Cuộn lái tia: Cuộn lái tia có nhiệm vụ lái tia điện tử quét từ trái sang phải, từ trên xuống dưới; có hai cuộn lái tia là cuộn lái ngang và cuộn lái đứng. 2.2.1.2. Nguyên tắc hoạt động Katot phát ra chùm electron và được các hệ thống điện cực điều khiển để có số lượng hạt, vận tốc và độ hội tụ cần thiết. Hệ thống làm lệch sẽ làm cho chùm tia điện tử di chuyển trên màn hình theo phương ngang và phương đứng để hiện dạng của tín hiệu. Ở chế độ hiển thị dạng sóng thông thường, tín hiệu cần hiển thị được đưa vào cặp làm lệch đứng còn tín hiệu răng cưa được đưa vào cặp lệch ngang. Khi tần số răng cưa (còn gọi tần số quét) phù hợp thì trên màn hình có một sóng đúng như dạng sóng cần hiển thị. 2.2.2 Sơ đồ khối máy hiện sóng dùng đèn hình CRT 2.2.2.1 Sơ đồ khối máy hiện sóng dùng đèn CRT Hình 2.2: Sơ đồ khối máy hiện sóng thông dụng dùng đèn hình CRT 41
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc 2.2.2.2. Nguyên tắc hoạt động máy hiện sóng dùng đèn CRT Tín hiệu vào được đưa qua bộ chuyển mạch AC /DC (khoá K đóng khi cần xác định thành phần DC của tín hiệu; khóa K mở khi chỉ quan tâm đến thành phần AC). Tín hiệu này lần lượt qua mạch phân áp, chuyển mạch Y-POS, mạch khuyếch đại Y như sau: Mạch phân áp (hay còn gọi là bộ suy giảm đầu vào) được điều khiển bởi chuyển mạch núm xoay VOLTS / DIV- núm xoay cho phép điều chỉnh tỉ lệ của sóng theo chiều đứng. Chuyển mạch Y-POS để thay đổi vị trí theo chiều đứng của sóng, nghĩa là có thể di chuyển sóng theo chiều lên hoặc xuống tuỳ ý bằng cách xoay núm vặn. Tín hiệu tiếp tục qua mạch khuếch đại Y để đưa tới điều khiển cặp làm lệch đứng Y, điều khiển chùm tia điện tử theo chiều đứng. Tín hiệu từ mạch khuyếch đại Y cũng được đưa tới khối TRIGO-khối đồng bộ- (trường hợp này gọi là đồng bộ trong) để kích thích mạch tạo sóng răng cưa/còn gọi là mạch phát quét, qua mạch khuyếch đại X và đưa tới điều khiển cặp làm lệch ngang X, điều khiển chùm tia điện tử theo chiều ngang. (Đôi khi người ta cũng cho mạch làm việc ở chế độ đồng bộ ngoại bằng cách cắt đường tín hiệu từ khuyếch đại Y, thay vào đó cho tín hiệu ngoại kích thích khối tạo sóng răng cưa. ) Khối mạch tạo sóng răng cưa còn có hai tín hiệu điều khiển từ núm vặn TIME/DIV và X-POS. TIME/DIV (có nhiều máy kí hiệu là SEC/DIV) cho phép thay đổi tốc độ quét theo chiều ngang, khi đó dạng sóng sẽ dừng trên màn hình với n chu kỳ nếu tần số của sóng đó lớn gấp n lần tần số quét). X-POS là núm điều chỉnh việc di chuyển sóng theo chiều ngang cho tiện quan sát. 2.2.3 Cấu tạo mặt máy hiện sóng dùng đèn hình CRT Các máy hiện sóng khác nhau nhìn chung sẽ có cách bố trí các núm và nút khác nhau nhưng nhìn chung chúng đều được bố trí thành các khối và các núm, nút cơ bản đều có tên và chức năng giống nhau. Panel trước của máy hiện sóng gồm 3 phần chính: VERTICAL (phần điều khiển đứng), HORIZONTAL (phần điều khiển ngang) TRIGGER (phần điều khiển đồng bộ). Một số phần còn lại (FOCUS - độ nét, INTENSITY - độ sáng ) có thể khác nhau tuỳ thuộc vào hãng sản xuất, loại máy và model. Tín hiệu vào được đưa vào các 42
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc cổng INPUT đúng vị trí (thường có ký hiệu CH1, CH2) bằng cáp đồng trục với kiểu đấu nối BNC hay UHF. Dưới đây ta sẽ trình bày cấu tạo, các núm nút của máy hiện sóng KENWOOD- CS4125 Hình 2.3: Cấu tạo mặt máy hiện sóng KENWOOD- CS4125 2.2.3.1. Màn hình hiển thị- Khối (1): Màn hình của máy hiện sóng được chia thành các ô, 10 ô theo chiều ngang và 8 ô theo chiều đứng. Ở chế độ hiển thị thông thường, máy hiện song hiện dạng sóng biến đổi theo thời gian: trục đứng Y là trục điện áp, trục ngang X là trục thời gian. Độ chói hay độ sang của màn hình đôi khi còn gọi là trục Z. 2.2.3.2. Khối nguồn và hiển thị -Khối (2) gồm có các núm và nút như sau: Công tắc Power: Công tắc nguồn Nút Intensity: Nút điều chính độ sáng/ tối của tia quét. Thông thường khi tăng tần số quét cần tăng thêm độ sáng để tiện quan sát hơn. Thực chất đây là điều chỉnh điện áp lưới. Nút Focus: Nút điều chỉnh hội tụ hay độ nét của dạng sóng. Thực chất là điều chỉnh điện áp các anot A1, A2 và A3. Trace rota: Điều chỉnh độ nghiêng của tia quét (Xoay tia quét ngang). Khi vị trí của máy ở những điểm khác nhau thì tác dụng của từ trường trái đất cũng khác nhau nên đôi khi phải điều chỉnh để có vị trí cân bằng. 2.2.3.3 Khối VERTICAL quét dọc - Khối (3)-(5)-(6): Chuyển mạch MODE - Kiểu quét: - CH1: Chỉ quét kênh 1 quét. 43
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - CH2: Chỉ quét kênh 2 quét. - ALT: Hai kênh quét theo thứ tự. - CHOP: Hai kênh quét đồng thời. - ADD: Cộng đại số tín hiệu quét của 2 kênh về mặt biên độ, kết quả phép cộng hiển thị trên màn hình. Nút CH2 INV: Đảo dạng tín hiệu trên kênh 2. Nút X-Y: Tắt quét trong, tín hiệu đưa vào 2 kênh sẽ điều khiển tia quét (CH1-Y tín hiệu kênh 1 điều khiển quét dọc , CH2-X tín hiệu kênh 2 điều khiển quét ngang) - Khối (5) Khối đầu vào cổng CH1 Nút POSITION: Điều chỉnh vị trí tia quét CH1 theo chiều dọc. Nút VARIABLE: Khuếch đại tín hiệu vào kênh 1. Chuyển mạch VOLT/DIV: Suy giảm tín hiệu vào kênh 1, chọn thang tín hiệu vào kênh 1 Cổng vào CH1 INPUT: Lối đưa tín hiệu vào kênh 1. Chuyển mạch AC-GND-DC: Các chế độ điện áp đầu vào kênh 1 là Xoay chiều-Nối đất-Một chiều. AC: Quan sát dạng sóng mà không cần quan tâm đến thành phần DC (cắt offset) DC: Dùng để đo điện áp 1 chiều hay tín hiệu có cả thành phần DC (có offset) GND: Ngõ vào tín hiệu nối mát, không hiển thị tín hiệu trên màn hình - Khối (6) Khối đầu vào cổng CH2 (các nút và chuyển mạch tương tự như khối cổng vào CH1) 2.2.3.4 Khối HORIZONTAL quét ngang – Khối (7) Nút POSITION: Điều chỉnh vị trí tia quét theo chiều ngang. Nút VARIABLE: Điều chỉnh tần số quét. Chuyển mạch SWEEP TIME/DIV: Chọn khoảng chu kì (tần số) của xung quét trong. Nút X10 MAG: Tăng tần số quét lên 10 lần (Chu kỳ quét giảm 10 lần). Cổng EXT. TRIG: Lối đưa tín hiệu đồng bộ ngoài. Chốt CAL 1Vp-p 1kHz: Chốt đưa tín hiệu chuẩn - Xung vuông có biên độ đỉnh-đỉnh là 1V, tần số 1kHz. 2.2.3.5. Khối TRIGGER đồng bộ - Khối (4): Chuyển mạch MODE: Kiểu đồng bộ 44
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - AUTO: Chế độ kích khởi tự động. Mạch quét ngang tự động quét ngay cả khi không có tín hiệu đồng bộ. - NORM: Chế độ kích khởi bình thường. Khi mất tín hiệu đồng bộ, mạch quét ngang ngưng hoạt động tức mất tia quét trên màn hình - FIX: Cố định. - TV Frame: Loại bỏ thành phần DC và xung đồng bộ tần số cao của tín hiệu hình tổng hợp. Dải tần hoạt động nhỏ hơn 1KHz. - TV Line: Loại bỏ thành phần DC và xung đồng bộ tần số thấp của tín hiệu hình tổng hợp. Dải tần hoạt động từ 1KHz đến 100KHz. Chuyển mạch SOURCE: Nguồn tín hiệu đồng bộ: - VERT MODE: Đồng bộ theo tín hiệu đầu vào khối quét dọc CH1 hoặc CH2. - CH1: Đồng bộ theo tín hiệu kênh 1. - CH2: Đồng bộ theo tín hiệu kênh 2. - LINE: Chế độ dùng tín hiệu AC làm tín hiệu đồng bộ. - EXT: Đồng bộ qua tín hiệu ngoài đưa vào lối EXT. TRIG. Nút LEVEL: Điều chỉnh ngưỡng biên độ đồng bộ, xác định điểm bắt đầu của xung quét theo tín hiệu, dùng để chỉnh trôi hình trái/ phải. Nút SLOPE: Đồng bộ theo sườn trước hay sườn sau của tín hiệu 2.2.4 Cách điều chỉnh máy hiện sóng 2.2.4.1 Điều chỉnh sơ bộ khi chưa có tín hiệu - Bật công tắc nguồn điện. - Đặt các nút chọn chế độ điện áp đầu vào của 2 kênh về vị trí GND-nối đất. - Điều chỉnh nút INTENSITY sao cho tia quét có độ sáng vừa phải, không điều chỉnh sáng quá để đảm bảo tuổi thọ của màn hình. - Điều chỉnh nút FOCUS để tia quét mảnh nhất. - Nếu không xuất hiện tia quét trên màn hình thì điều chỉnh các nút POSITION (thường phải điều chỉnh vào chính giữa) và đặt nút MODE ở khối đồng bộ (TRIGGERING) về vị trí AUTO. 2.2.4.2 Điều chỉnh máy khi có tín hiệu - Đưa tín hiệu vào kênh nào thì chỉ điều chỉnh các núm nút ở khối đầu vào của kênh đó và đặt vị trí của các nút: MODE ở khối quét dọc (VERTICAL), SOURCE ở khối đồng bộ (TRIGGERING) - về vị trí kênh đó. 45
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - Điều chỉnh nút suy giảm tín hiệu đầu vào (VOLT/DIV) sao cho tín hiệu hiện trên màn hình có chiều cao (biên độ) vài ô chia độ (vài cm). Nếu biên độ tín hiệu trên màn hình quá nhỏ thì việc đồng bộ rất khó khiến hình bị trôi trái/ phải. - Điều chỉnh nút SWEEP TIME/DIV sao cho ta có thể quan sát được vài chu kỳ của tín hiệu trên màn hình. - Nếu tín hiệu trên màn hình bị trôi thì điều chỉnh nút LEVEL ở khối đồng bộ (TRIGGERING)-thông thường nút này ở vị trí chính giữa là được. Hoặc đặt nút MODE ở khối đồng bộ về vị trí FIX. 2.2.4.3 Kiểm tra chuẩn Để xem máy hiện sóng còn đo đạc được chính xác không ta phải so sánh kết quả đo đạc với 1 tín hiệu chuẩn do máy phát ra. Bước này thường phải làm để kiểm tra tình trạng của máy nhất la sau khi sửa chữa. Cách làm như sau: - Đưa tín hiệu từ chốt tín hiệu chuẩn CAL 1Vp-p 1kHz vào kênh cần điều chỉnh chuẩn. - Điều chỉnh máy như các bước ở trên sao cho có thể quan sát được dạng của tín hiệu rõ ràng trên màn hình. - Điều chỉnh lại các nút VARIABLE sao cho kết quả nhận được (biên độ và tần số) trên máy hiện sóng đúng với tín hiệu chuẩn này. 2.3 NHỮNG ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA MÁY HIỆN SÓNG 2.3.1 Quan sát dạng tín hiệu Để quan sát được sự biến thiên của tín hiệu theo thời gian, chỉ cần thiết lập máy ở chế độ đồng bộ trong và điều chỉnh tần số quét vào TRIGGER để dạng sóng đứng yên trên màn hình. Các máy hiện sóng hiện đại có thể cho phép cùng một lúc 2, 4 hoặc 8 tín hiệu dạng bất kỳ cùng một lúc và tần số quan sát có thể lên tới 400MHz. Hình 2.4: Hiển thị dạng sóng trên màn hình máy hiện sóng 2.3.2 Đo điện áp của tín hiệu Trước khi đo điện áp trên máy hiện sóng cần phải đặt các nút chọn chế độ điện áp đầu vào về vị trí GND-nối đất, sau đó điều chỉnh nút POSITION để chọn điểm 0. Đo điện áp 1 chiều đặt nút chọn điện áp đầu vào về DC và đo điện áp xoay chiều đặt nút chọn điện áp đầu vào về AC. Nút VARIABLE của khối đầu vào phải điều chỉnh về vị trí chuẩn (CAL)- thường là vị trí cuối cùng theo chiều quay của kim đồng hồ. 46
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Điện áp của tín hiệu được xác định bằng số ô theo chiều cao của tia quét nhân với chỉ số của nút suy giảm tín hiệu (VOLT/DIV). Cách tính biên độ tín hiệu như sau: Đọc giá trị thang VOLT/DIV Đếm số ô theo chiều dọc (Vpp hoặc Vp hoặc Vrms) Tính biên độ tín hiệu = Số ô x giá trị thang VOLT/DIV Hình 2.5: Xác định biên độ tín hiệu Ví dụ: VOLTS/DIV chỉ 1V thì tín hiệu cho ở hình bên ta có: Vp = 2,7ô x 1V = 2,8V Vpp = 5,4ô x 1V = 5,4V Vrms = 0,707Vp = 1.98V 2.3.3 Đo tần số và khoảng thời gian Nút VARIABLE của khối quét ngang (HORIZONTAL) phải điều chỉnh về vị trí chuẩn (CAL)-thường là vị trí cuối cùng theo chiều quay của kim đồng hồ. Tần số của tín hiệu được đo thông qua chu kỳ của nó (f = 1/T). Chu kỳ của tín hiệu được xác định bằng số ô theo chiều ngang của 1 chu kỳ tín hiệu nhân với chỉ số của nút chọn khoảng tần số quét (SWEEP TIME/DIV). Cách tính tần số tín hiệu như sau: Đọc giá trị thang SWEEP TIME/DIV Đếm số ô theo chiều ngang trong một chu kì Chu kì tín hiệu T= Số ô x giá trị thang SWEEP TIME/DIV Tần số tín hiệu f = 1/T Hình 2.6: Xác định tần số tín hiệu 47
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Ví dụ: ở hình bên SWEEP TIME/DIV là 1ms. Chu kỳ của tín hiệu dài 4 ô, do vậy chu kỳ là 4ms ⇒ f = 1/4ms = 250Hz 2.3.4 Đo tần số và độ lệch pha bằng phương pháp so sánh Ngoài cách đo tần số thông qua việc đo chu kỳ như ở trên, có thể đo tần số bằng máy hiện sóng bằng cách so sánh tần số của tín hiệu cần đo fx với tần số chuẩn f0. Tín hiệu cần đo f x đưa vào cực CH1- Y, tín hiệu tần số chuẩn f 0 đưa vào cực CH2- X. Chế độ làm việc này, khối quét dọc Vertical chọn ấn nút X-Y mode và các sóng đều có dạng hình sin. Khi đó trên màn hình sẽ hiện ra một đường cong phức tạp gọi là đường cong Lissajou. Điều chỉnh tần số chuẩn tới khi tần số cần đo là bội hoặc ước nguyên của tần số chuẩn thì trên màn hình sẽ có một đường Lissajou đứng yên như hình trên. Hình dáng của đường Lissajou rất khác nhau tuỳ thuộc vào tỉ số tần số giữa hai tín hiệu và độ lệch pha giữa chúng. Hình 2.7: Các đường Lissajou Phương pháp hình Lissajou cho phép đo tần số trong khoảng từ 10Hz tới tần số giới hạn của máy. Nhược điểm của phương pháp này là không xác định được dấu của góc pha và sai số của phép đo khá lớn (5 – 10%) 48
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc CHƯƠNG 3: MÁY PHÁT TÍN HIỆU 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Trong kỹ thuật điện tử có rất nhiều loại sóng khác nhau, và được phân thành hai loại: sóng tuần hoàn (có chu kỳ) và sóng không tuần hoàn (tự do, không có chu kỳ). Trong đó, sóng sin, sóng vuông, sóng tam giác và sóng răng cưa là bốn dạng sóng được sử dụng nhiều trong kỹ thuật điện tử. Hình 3.1 Dạng sóng sin, vuông, tam giác và răng cưa Để tạo dao động (từ vài phần Hz đến hàng trăm MHz), chúng ta có thể tạo ra các dạng sóng khác nhau một cách trực tiếp (như các mạch dao động, mạch đa hài .v.v) hoặc tổng hợp các dạng sóng bằng cách sử dụng kĩ thuật vòng khóa pha PLL (Phase- Locked -Loop) hoặc sử dụng các mạch tạo hàm dùng IC chuyên dụng. Sơ đồ mạch tạo sóng có thể được thiết kế bằng cách sử dụng các phần tử tích cực như tranzito lưỡng cực, FET( tranzito trường ), IC khuếch đại thuật toán, các IC số hay các IC tạo sóng chuyên dụng. 3.1.1 Sơ đồ khối máy phát hàm Khối tạo Chọn sóng Biên độ Khuếch Bộ suy Phối hợp sóng đại CS giảm trở kháng Hình 3.2 Sơ đồ khối máy phát hàm - Khối tạo sóng: Đây chính là khối chính của máy tạo hàm. Tại đây 3 dạng sóng chính được tạo ra là xung vuông, tam giác và sin. Khối tạo sóng là mạch tổng hợp tạo ra cả ba dạng tín hiệu trên. - Khối chọn sóng: có nhiệm vụ chọn dạng sóng ở đầu ra từ bộ dao động của khối tạo sóng. - Khối biên độ: nhiệm vụ điều chỉnh biên độ ra của xung, đơn giản đây chỉ là bộ phân áp có thể điều chỉnh được tỷ số phân áp. 49
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - Khối khuếch đại công suất: Để đáp ứng đầu ra công suất thì tín hiệu sau khi được tạo ra phải qua bộ khuếch đại công suất. Đồng thời ở đây ta có thể điều chỉnh mức DC. - Khối suy giảm: Với khối này tín hiệu ra có thể được suy giảm một phần để phù hợp với tải. - Khối phối hợp trở kháng: Dùng để chọn trở kháng ra phù hợp với tải nhằm để cho công suất trên tải là lớn nhất. 3.1.2 Khối tạo sóng trong máy phát hàm Trong kỹ thuật mạch điện tử có nhiều kĩ thuật để tạo ra 3 loại sóng trên. Do vậy có rất nhiều phương pháp thiết kế nên khối tạo sóng. Nhưng tóm lại ta có thể phân ra 2 loại cơ bản sau: Tạo ra các sóng riêng lẻ. Với phương pháp này tương tự như tổng hợp các máy tạo sóng đơn chức năng lại với nhau. Do vậy nó không có ưu điểm nổi bật. Để khắc phục phương pháp này thì người ta chuyển sang phương pháp 2. Các sóng tạo ra trên cùng một mạch. Phương pháp này dựa trên mối quan hệ giữa các sóng thông qua các mạch điện. Phương pháp tạo các sóng trên cùng một mạch này có 2 mô hình sau: - Mô hình 1(Mô hình tuần tự): Sóng 1 Sóng 2 Sóng 3; ở mô hình này: Đầu tiên một khối sẽ tạo ra sóng 1, sau đó qua mạch thích hợp cho ra sóng 2 và từ sóng 2 qua mạch thích hợp cho ra sóng 3. Mô hình này rất ít khi được sử dụng. - Mô hình 2(Mô hình có hồi tiếp): Đây là mô hình điển hình và phổ biến của tất cả các máy tạo hàm. Ta có sơ đồ khối: I S F Hình 3.3 Mô hình tạo sóng trên cùng một mạch có hồi tiếp o Khối I: Là bộ tích phân biến đổi xung vuông thành xung tam giác. o Khối S: Là bộ so(hay Triger smith) biến đổi xung tam giác thành xung vuông. o Khối F: Là bộ biến đổi xung tam giác thành sin 3.2 MÁY PHÁT HÀM 3.2.1 Định nghĩa: Máy phát tín hiệu hay còn gọi máy phát hàm là bộ nguồn tạo ra các tín hiệu chuẩn, có hể điều chỉnh về biên độ, tần số và dạng sóng một cách độc lập với nhau Các máy phát hàm có thể tạo ra các tín hiệu có thể thay đổi tần số từ vài Hz đến hàng trăm MHz và biên độ đầu ra ổn định, có thể được điều chỉnh riêng biệt. Các dạng sóng 50
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc phổ biến nhất được tạo ra bởi các máy phát hàm là dạng sóng hình sin, hình vuông, hình tam giác và răng cưa. 3.2.2 Phân loại Máy phát hàm được sử dụng trong thử nghiệm, sửa chữa, phát triển các thiết bị điện tử. Các máy tạo sóng trong phòng thí nghiệm có các dạng sau: Máy tạo sóng sin tần thấp LF (low frequency); Máy tạo sóng sin tần số vô tuyến RF (radio frequency); Máy tạo hàm. Máy tạo xung Máy phát tần số quét, máy phát các thiết bị thử nghiệm Dựa theo tính chất quá trình xử lý tín hiệu, máy phát hàm chia thành hai loại: máy phát hàm tương tự và máy phát hàm kĩ thuật số. 3.3 MÁY PHÁT HÀM KÍ THUẬT SỐ 3.3.1 Cấu trúc mặt máy Để đơn giản, chúng ta phân tích cấu trúc mặt máy của máy phát hàm HP- 33120A Hình 3.14 Cấu trúc mặt máy máy phát hàm HP33120A (1) Màn hình hiển thị Hiển thị Ý nghĩa Trig Máy phát hàm ở chế độ chờ AM Điều chế AM được chọn FM Điều chế FM được chọn FSK Điều chế FSK được chọn Burst Điều chế Burst được chọn 51
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Swp Mode Sweep được chọn Error Phần mềm hay điều khiển trên mặt máy gặp lỗi, đã được xóa bỏ Offset Tín hiệu đưa ra được điều chỉnh điện áp Offset Shift Nút ấn chọn chức năng khác Num Moden “Enter Number” được chọn ~ Dạng sóng hình sin được chọn Dạng sóng hình vuông được chọn Dạng sóng hình tam giác được chọn Dạng sóng hình răng cưa được chọn (2) MODIFY Nút ấn Chức năng Nút ấn Chức năng Freq Chọn để điều chỉnh tần số Shift+ Freq Chọn để điều chỉnh tần số của tín hiệu ra = Freq trong điều chế AM/FM Ampl Chọn để điều chỉnh biên Shift+ Ampl Chọn để điều chỉnh chế độ độ điện áp của tín hiệu ra =Level trong điều chế AM/FM Offset Chọn để điều chỉnh điện Shift+ Offset Điều chỉnh độ rộng xung áp Offset của tín hiệu ra = %Duty và độ rỗng xung (3) FUNCTION/ MODULATION Hệ thống các nút 06 nút ấn với 12 chức năng khác nhau Nút ấn Chức năng Nút ấn Chức năng Chọn tín hiệu ra dạng Shift+ Tạo ra tín hiệu điều chế ~ hình sin = AM ~ AM Chọn tín hiệu ra dạng Shift+ Tạo ra tín hiệu điều chế xung vuông = FM FM Chọn tín hiệu ra dạng Shift+ Tạo ra tín hiệu điều chế xung tam giác = FSK FSK Chọn tín hiệu ra dạng Shift+ Tạo ra tín hiệu điều chế xung răng cưa = Burst Burst Noise Shift+ Noise Tạo ra tín hiệu điều chế = Sweep Sweep Arb Shift+ Arb Chọn danh sách Arb = Arb List 52
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc (4) MENU Dùng để tắt bật các Menn, điều chỉnh giá trị lên xuống hay sang phải trái .v.v. 3.3.2 Giới thiệu một số menu trong máy phát hàm HP33120A Menu trong máy HP33120A được phân chia như sau: (1) MODULATION menu Trong menu này có 10 lựa chọn: 1: AM SHAPE Chọn dạng sóngđiều biến AM 2: AM SOURCE Tắt/ mở nguồn sóng điều biến AM trong 3: FM SHAPE Chọn dạng sóngđiều biến FM 4: BURST CNT Chọn số chu kỳ trong một sóng Burst(1÷50000) 5: BURST RATE Đặt tấn số sóng Burst với đơn vị Hz 6: BURST PHAS Đặt góc pha đầu cho sóng Burtst (-3600 ÷ +360) 7: BURST SRC Chọn cổng nguồn cho sóng Burst 8: FSK RATE Đặt tần số cho FSK 9: FSK RATE Chọn tần số biến đổi giữa sóng mang và sóng FSK 10: FSK SRC Chọn nguồn cho sóng FSK (2) SWP Menu Trong menu này có 4 lựa chọn: 1: START đặt tấn số bắt đầu 2: STOPF Đặt tần số kết thúc 3: SWP TIME Đặt tốc độ lặp bằng đơn vị giây cho tín hiệu biến tần 4: SWP MODE Chọn phép biến đổi là tuyến tính hay thao hàm loga (3) EDIT Menu Trong menu này có 7 lựa chọn: 1: NEW ARB Bắt đầu một dạng tín hiệu mới/ lấy một tín hiệu có sẵn 2: POINTS Đặt số lượng điểm trong tín hiệu mới (từ 8÷16000) 3: LINE EDIT Dùng pháp nội suy tuyến tính giữa 2 điểm 4: POINT EDIT Tính giá trị từng điểm 5: INVERT Đảo dạng tín hiệu bằng cách đổi dấu từng điểm 6: SAVE AS Lưu dạng tín hiệu hiện thời 7: DELETE: Xoá một dạng tín hiệu trong bộ nhớ 53
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc (4) SYSTEM menu Trong menu này có 6 lựa chọn 1: OUTTERM Chọn loại đầu ra (50hoặc tổng trở cao) 2: POWER ON Tắt /bật tự động đưa ra trạng thái lúc tắt 3: ERROR Xử lý các lỗi từ chuỗi lỗi (chứa tới 20 lỗi) 4: TEST Chạy trình tự động kiểm tra toàn bộ 5: COMMA Tắt /bật chế độ dùng dấu phẩy ngăn cách các chữ số 6: REVISION Hiển thi mã sản xuất (5) Input/Output menu Trong menu này có 5 lựa chọn 1: HIIP ADDR Đặt địa chỉ HP-IP 2: INTERFACE Chọn giao diện HP-IB hay RS-232 3:BAUD RATE Chọn tốc độ baud cho giao diện RS-232 4: PARITY Chọn bậc chẵn /lẻ cho giao diện RS-232 5: LANGUAGE Xác định ngôn ngữ giao tiếp: SCPI (6) CALIBRATION menu Trong menu này có 4 lựu chọn: 1: SECURED Máy phát đã được khoá. Nhâp mã số mở 1: UNSECURED Máy phát chưa được khoá an toàn. nhập mã số để khoá CÁCH SỬ DỤNG MENU Menu được tổ chức theo hình cây từ trên xuống với ba mức: menu, lệnh và tham số lệnh. sử dụng các phím mũi tên, để chuyênr giữa các mức trong menu, trong mỗi mức có các lựa chọn ngang nhau được chuyển bằng các phím mũi tên trái ,phải - Dùng phím Shift +menu On/Off để bật hay tắt menu - Để thực hiện một lệnh trong khi dùng menu, nhấn Enter - Để gọi lại một lệnh trước đã thi hành, nhấn Shift+Recall menu - Để tắt menu tại bất kỳ thời điểm nào mà không lưu lại sự thay đổi, nhấn Shift+ Cancel. 3.3.3 Những ứng dụng cơ bản 3.3.3.1. Phát ra tín hiệu hình sin, vuông, tam giác và răng cưa Máy phát hàm có thể tạo ra nhiều dạng tín hiệu chuẩn khác nhau như: hình sin, hình vuông, hình tam giac, hình răng cưa, có thể thay đổi biên độ, tần số, điện áp Offset, độ rộng xung %Duty .v.v. tùy ý. Đặt tần số cửa ra Khi bật máy lên, máy phát hàm sẽ phát ra song hình sin với tần số 1KHz và biên độ là 100mV đỉnh (đầu ra 50 ), Muốn đặt lại tần số phát ra làm như sau: 54
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc - Nhấn Freq - nhấn Enter Number, đưa giá trị tần số mong muốn vào - Nhấn để chọn dơn vị tương ứng. Đặt biên độ tín hiệu ra - Nhấn Ampt - Nhấn Enter Number và nhập giá trị biên độ cần thiết - Nhấn Shift+ để chọn đơn vị tính tương ứng. Đặt giá trị điện áp Offset một chiều Khi bật máy, giá trị điện áp Offset chiều được đặt mặc định bằng 0. Muốn thay đổi giá trị này: - Nhấn Offset - Dùng phím +/- để thay đổi dấu của điện áp. Nhấn Shift + để chọn đơn vị tính tương ứng. - Chọn song phát ra là xung vuông. - Nhấn Shift, Dfy - Nhấn Enter Number,Nhập giá trị mong muốn - Nhấn Enter để nhận tỷ lệ xung tích cực 3.3.3.2 Phát ra sóng điều biến Máy phát hàm tạo ra các sóng điều biến khác nhau như: Điều biên AM, điều tần FM: máy phát hàm có thể điều chỉnh các thông số của sóng mang và sóng điều biến. Ví dụ: tạo sóng điều biến AM với độ sâu điều biến là 80, sóng mang là hình sinh 5kHz và sóng điều biến là hình sin tần số 200Hz. Điều chế FSK: máy phát hàm có thể điều chỉnh tần số của hai sóng khác nhau sóng mang và sóng (hop) tạo nên FSK. Ví dụ: đưa ra một sóng mang tân số 3KH và sóng “hop” có tần số 500 Hz, tần số chuyển đổi là 100 Hz Sóng Burst là dạng song gồm một số chu kỳ của một dạng song nhất định. Trong ví dụ này ta đưa ra một song hình sin có 3 chu kỳ một, nguồn phát ra nguồn trong. Góc pha đầu bằng 0 và tần số bust là 100 HZ 3.3.3.3 Phát ra sóng có tần số biến đổi đều Trong chế độ này, máy phát ra một sóng có tần số thay đổi từ tần số khởi động đến tần số kết thúc với tốc độ đã đặt. Tần số có thể tăng dần hoặc giảm dần đến tần số kết thúc với tốc độ đã dặt. Tàn số có thể tăng hoặc giảm dàn với quy luật tuyến tính hoặc quy luật theo hàm loga. Trong ví dụ này ta sẽ phát ra một song có tần số thay đổi từ 50 Hz đến 5 khz. chế độ mặc định là dùng giưỡng chuyển đổi trong máy, biến đổi tuyến tính, thời gian biến đổi la 1giây. 3.3.3.4 Đưa ra điện áp một chiều chuẩn 55
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Máy phát hàm cho phép đua ra một điện áp một chiều trong khoảng +/- 5V (tại cửa ra 50) - Nhấn Offset và giữ phím này trong khoảng hơn 2 giây - Nhấn Enter Number, nhập giá trị điện áp mong muốn - Nhấn Shift+ để chọn đơn vị tương ứng. 3.3.3.5 Đưa ra một dạng sóng có sẵn trong máy. Trong máy này đã có 5 dạng sóng cố định được ghi sẵn trong bộ nhớ. - Nhấn Shift, Arb List. Màn hình sẽ hiển thị dạng sóng hiện tại ở cửa ra trong khoảng 10 giây, lựa chọn đầu tiên là sóng hình sin:SIN - Nhấn Enter - Sau khi đã chọn dạng song trên, mỗi khi nhấn phím Arb thì máy sẽ phát ra dạng sóng này. 3.3.3.6 Lưu trạng thái hiện thời của máy : Có thể lưu trạng thái của máy vào 3 vùng nhớ được đánh số thứ tự 1,2,3, không bị mất khi tắt máy. Ngoài ra còn có vùng nhớ mang số thứ tự 0 để tự động lưu trạng thái khi tắt máy, ta không thể ghi trạng thái máy vào vùng nhớ này. - Nhấn Shift +Store trên màn hình hiện lên địa chỉ lưu trữ: STORE - Nhấn  để chọn địa chỉ vùng nhớ cần lưu trữ. - Nhấn Enter để lưu trạng thái máy. - Để gọi lại trạng thái máy đã được ghi trong các vùng nhớ trên ta có thể nhấn Recall sau đó dùng phím mũi tên chọn trạng thái máy đã ghi và nhấn Enter, 56
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc PHẦN 2: THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ DÂN DỤNG CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ THU VÀ PHÁT THANH 4.1KIẾN THỨC BỔ SUNG 4.1.1 Các đặc trưng của âm thanh và tín hiệu âm thanh 4.1.1.1 Các đặc trưng của âm thanh Âm thanh mà tai ta cảm nhận được là những dao động cơ học có tần số từ 16Hz đến 20KHz. Âm thanh có các thông số đặc trưng như sau: - Tần số Tần số dao động của một âm đơn là tần số dao động của không khí dẫn âm đó trong thời gian một giây. Đơn vị tần số là Hz. 1MHz= 103KHz = 106Hz. Tần số biểu thị sự cao thấp (trầm bổng) của âm thanh. Tần số càng thấp thì âm thanh càng trầm, tần số càng cao thì âm thanh càng cao. Màng nhĩ tai người có thể nhận biết được tần số thấp tới 16Hz và cao tới 20KHz. Trong dải âm thanh, người ta phân chia như sau: âm trầm (16Hz ÷ 300Hz); âm trung/ âm vừa (300Hz ÷3KHz); âm bổng/âm thanh (3KHz ÷20KHz) - Áp suất âm thanh Khi âm thanh lan truyền trong không gian thì áp suất không khí tại điểm quan sát sẽ thay đổi, áp suất âm thanh tạo ra tại một điểm gọi là thanh áp tại điểm đó. Đơn vị của thanh áp là bar. 1bar là thanh áp tại một điểm tác dụng lên một diện tích 1 cm2 một lực là 1 đin: 1 bar=1 đin/cm2. - Công suất âm thanh Công suất âm thanh là năng lượng âm thanh đi qua diện tích s trong thời gian 1 giây, được định nghĩa qua công thức: p=s.v . Trong đó: p là thanh áp; v là vận tốc dao động các phần tử khí; s là diện tích mặt quan sát. - Cường độ âm thanh Cường độ âm thanh là công suất âm thanh đi qua đơn vị 1cm2, kí hiệu là I. p I p.v => p=I.s.v s 4.1.1.2 Sự cảm thụ của tai người Người bình thường có thể nghe trong giải tần số từ 16Hz ÷ 20 KHz, tai người nhậy nhất với tần số 300Hz ÷ 500Hz. Tuỳ theo cấu tạo màng nhĩ mà tai mỗi người có thể nghe được tần số cao hơn 20 KHz hoặc thấp hơn 16 Hz. 57
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Tai người có thể nhận biết được những âm sắc khác nhau. Âm sắc là sắc thái riêng của âm thanh, giúp phân biệt được nguồn âm thanh khác nhau. Hai loại nhạc cụ cùng dạo một bản nhạc như nhau nhưng nghe khác nhau là vì âm sắc của chúng khác nhau. Con người có thể nhận biết âm thanh đi tới nhờ hai tai. Vì vậy, con người có thể nghe được âm thanh lập thể (stereo) 4.1.1.3 Tín hiệu âm thanh Trong kĩ thuật truyền thanh để gửi âm thanh từ đầu phát đến dầu thu người ta phải biến đổi âm thanh thành tín hiệu điện nhờ micro. Sóng âm thanh là một dạng sóng cơ học truyền trong không gian, khi sóng âm thanh va chạm vào màng Micro làm cho màng Micro rung lên, làm cho cuộn dây gắn với màng Micro được đặt trong từ trường của nam châm dao động, hai đầu cuộn dây ta thu được một điện áp cảm ứng. Đó chính là tín hiệu âm tần. Tín hiệu âm tần này có giải tần từ 16Hz ÷ 20KHz và không có khả năng bức xạ thành sóng điện từ để truyền trong không gian. 4.1.2 Sóng điện từ và phương thức truyền sóng điện từ 4.1.2.1 Sóng điện từ - Bản chất Sóng điện từ lan truyền trong mọi môi trường vật chất và có trong chân không. Vận tốc truyền sóng điện từ trong chân không c=300.000.000m/s. v=λt/n Trong đó: v: vận tốc truyền sóng λ: bước sóng điện từ n: chiết suất môi trường truyền sóng (n>1) Sóng điện từ tuân theo định luật: phản xạ, khúc xa và giao thoa. Sóng điện từ là sóng ngang; trong quá trình truyền sóng tại mọi điểm bất kì trên phương truyền sóng: vector điện trường luôn vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phương truyền sóng. Sóng điện từ truyền sóng không gian mang năng lượng tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn của tần số. Truyền dẫn vô tuyến được dùng để truyền tin tức qua không gian, như là môi trường truyền dẫn. Sóng vô tuyến là một loại sóng điện từ mà sóng điện từ này được hình thành từ các điện trường và từ trường cao và thấp, lan truyền với vận tốc ánh sáng. - Phân loại: 58
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Sóng điện từ hiện nay được sử dụng rất rộng rái trong thông tin vô tuyến truyền thanh và truyền hình, trong một số lĩnh vực khác như vô tuyến định vị, thiên văn vô tuyến .v.v. Những dao động điện từ có tần số hàng chục và hàng trăm Hz bước xạ rất yếu và không có khả năng truyền đi xa. Trong thông tin vô tuyến truyền thanh, người ta sử dụng những sóng có tần số từ nghìn Hz trở lên, gọi là sóng vô tuyến và được phân chia thành các loại như sau: - Sóng dài: f áp dụng trong thông tin điện báo. - Sóng trung: f=300kHz ÷3MHz => phát thanh ở băng sóng trung MW - Sóng ngắn: f=3MHz ÷30MHz => phát thanh ở băng sóng ngắn SW, dùng trong thông tin vô tuyến đường dài. - Sóng cực ngắn: f=30MHz ÷300MHz Mỗi loại sóng có một phương thức truyền sóng riêng sao cho tối ưu nhất. 4.1.2.2 Phương pháp truyền sóng trong không gian Môi trường truyền sóng là khoảng không gian bao quanh trái đất bao gồm bầu khi quyển có độ cao 2.000÷3.000km tính từ mặt đất, trong đó có các hỗn hợp khí chủ yếu là Hiđro, Nitơ, Oxy và hơi nước phân bố tùy theo độ cao. Khí quyển được phân chia thành nhiều tầng, trong đó các tầng ảnh hưởng khác nhau đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện. Có ba phương pháp truyền sóng cơ bản trong không gian: a. Truyền sóng đất b. Truyền sóng điện li c. Truyến sóng thẳng Hình 4.1: Các phương pháp truyền sóng trong không gian - Truyền sóng đất: sóng bị mặt đất hấp thụ nên có khă năng uốn cong theo hình dáng bề mặt trái đất. Như vậy, sóng đất truyền bò sát mặt đất và có khả năng truyền đi xa đến 3.000km (đặc biệt ở những vùng hàn đới, ôn đới, rừng thưa .v.v. bề mặt trái đất 59
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc khá ổn định nên truyền sóng đất rất tốt). Nhược điểm phương pháp truyền này đòi hỏi công suất phát lớn, anten phải cao. - Truyền sóng điện li: sóng truyền phản xạ nhiều lần tại tầng điện ly và mặt đất nên thực tế có thể truyền đi đến bất kì điểm nào trên trái đất (nếu sự hấp thụ ở tầng điện li không đáng kể). Nhược điểm của phương pháp truyền này là sóng từ đài phát đến dài thu có thể đi theo nhiều đường khác nhau, gặp nhau chúng có thể đồng pha hay ngược pha nhau nói chung là lệch pha làm cho biên độ tín hiệu thu tăng giảm một cách ngẫu nhiên, ảnh hưởng đến chất lượng truyền sóng. - Truyền sóng thẳng: sóng truyền không thể uốn cong theo bề mặt trái đất hay phản xạ ở tầng điện li nên chỉ có thể truyền thẳng. Sóng truyền thẳng có cự li truyền tùy thuộc độ cao anten thu và phát sao cho đỉnh hai cột “ phải nhìn thấy nhau”. Phương pháp này chỉ có thể truyền trong cự li ngắn 50÷60 km. Tùy đặc điểm mỗi loại sóng mà lựa chọn phương pháp truyền sóng thích hợp: - Truyền sóng dài: sử dụng phương pháp truyền sóng đất (sóng bò sát mặt đất) - Truyền sóng trung: sử dụng phương pháp truyền sóng đất - Truyền sóng ngắn: sử dụng phương pháp truyền sóng điện ly - Truyền sóng cực ngắn: sử dụng phương pháp truyền thẳng 4.2 NGUYÊN LÝ THU VÀ PHÁT THANH 4.2.1 Giới thiệu chung Tín hiệu âm tần mang thông tin có ích, tai người có thể nghe được nhưng không có khả năng bức xạ, truyền đi xa trong môi trường truyền dẫn. Để truyền tín hiệu âm tần từ đầu phát đến đầu thu với một cự li xa trong không gian người ta phải biến đổi tín hiệu ban đầu thành một dạng thông tin phù hợp vời đường truyền. Quá trình biến đổi tín hiệu thông tin ở tần số thấp thành dạng sóng mang tần số cao được gọi là quá trình điều chế. Sau đó cho sóng mang cao tần bức xạ thành sóng điện từ truyền đi với vận tốc ánh sáng. Tại máy thu, tín hiệu sóng mang cao tần thu được phải biến đổi trở lại thành dạng tín hiệu thông tin ban đầu của chúng. Đó là quá trình giải điều chế (hay gọi tách sóng) là quá trình ngược lại với điều chế. 4.2.2 Điều chế 4.2.2.1 Định nghĩa 60
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Điều chế tín hiệu (hay Biến điệu) là quá trình biến đổi một hay nhiều thông số (biên độ, pha, tần số.v.v.) của một tín hiệu tuần hoàn (gọi là sóng mang) theo sự thay đổi của tín hiệu mang thông tin cần truyền đi xa. Ví dụ: tín hiệu tiếng nói có tần số thấp, không thể truyền đi xa được. Người ta dùng một tín hiệu hình sin có tần số cao làm sóng mang, biến đổi biên độ của tần số sin đó theo tín hiệu tiếng nói để có thể truyền đi xa. Ở đầu thu người ta dựa vào sự thay đổi biên độ của tín hiệu thu được để tái tạo lại tín hiệu tiếng nói ban đầu 4.2.2.2 Phân loại Thực tế tồn tại nhiều phương pháp điều chế với nhiều cách phân loại: Phân loại theo hình dạng tín hiệu: - Điều chế tương tự (Analog) - Điều chế số (Digital) Phân lọai theo phương thức truyền sóng: - Điều chế biên độ AM (Amplitude Modulation): biên độ của sóng mang biến đổi theo dạng tín hiệu cần truyền đi xa - Điều chế ASK (Amplitude- Shift Keying) /kỹ thuật dời biên: dữ liệu số được truyền bằng phương pháp điều chế AM - Điều chế tần số FM (Frequency Modulation): tần số của sóng mang biến đổi theo dạng tín hiệu cần truyền đi xa - Điều chế FSK (Frequency - Shift Keying) /kỹ thuật dời tần: dữ liệu số được truyền bằng phương pháp điều chế FM - Điều chế pha ( ΦM ) - Điều chế PSK (Phase-Shift Keying)/ Kỹ thuật dời pha: dữ liệu số được truyền bằng phương pháp điều chế pha ( ΦM ) Trong nội dung môn học, chúng tôi xin đề cập đến hai phương pháp điều chế chính: điều biên AM và điều tần FM. Đây là hai phương pháp điều chế được ứng dụng nhiều trong kĩ thuật truyền thanh. Còn các phương pháp điều chế khác, các bạn có thể tìm hiểu thêm ở các tài liệu tham khảo. Trong kĩ thuật phát thanh người ta thường sử dụng các dải sóng dài, trung, ngắn có tần số từ 100kHz đến 30 MHz. Ở dải sóng này ta thường sử dụng phương thức điều chế biên độ AM để phát thanh - phát sóng điều biên AM. Dải sóng cực ngắn (hay còn gọi sóng siêu cao tần) có tần số từ 30MHz đến 300MHz thường sử dụng phương pháp điều chế tần số để phát thanh- điều tần FM. 61
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc 4.2.2.3 Điều chế biên độ AM a. Phương pháp AM (Amplitude Moducation) tức điều chế biên độ hay điều biên Điều biên AM là quá trình làm cho biên độ của sóng mang cao tần biến đổi theo dạng tín hiệu mang thông tin cần truyền đi xa (tần số thấp). Tín hiệu thu được gọi là sóng mang điều biên AM. Điều chế biên độ có chất lượng tương đối thấp và ít tổn hao. Điều biến biên độ AM được dùng để phát sóng thương mại cả tín hiệu radio lẫn tín hiệu hình. Điều biến biên độ cũng được dùng trong thông tin di động như: Citizen’s Band (CB) Radio. b. Phương trình điều chế Để đơn gian trong tính toán, giả thiết tín hiệu mang thông tin cần truyền đi xa (ví dụ tín hiệu âm tần) uat và sóng mang cao tần usm đều là dao động điều hoà . Ta có: uat=Uatcosωatt=UatCos2πfatt usm=Usmcosωsmt =UsmCos2πfsmt Điều kiện: ωsm»ωat (fsm»fat) Do đó, tín hiệu điều biên AM: uAM =(Usm+Uatcos2πfatt) cos2πfsmt U at = Usm (1+ cos2πfatt) cos2πfsmt U sm = Usm (1+mcos2πfatt) cos2πfsmt U Đặt: m=at là hệ số điều chế U sm c. Nhận xét - Tín hiệu âm tần có thể lấy từ Micro sau đó khuếch đại qua mạch khuếch đại âm tần, hoặc có thể lấy từ các thiết bị khác như đài Cassette, Đầu đĩa CD Tín hiệu cao tần được tạo bởi mạch tạo dao động, tần số cao tần là tần số theo quy định của từng đài phát. - Dạng sóng của tín hiệu điều chế AM như sau: 62
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Hình 4.2: Dạng tín hiệu trong quá trình điều chế AM - Tín hiệu sau điều biên AM là sóng mang có đặc điểm như sau: Tần số không đổi bằng tần số của sóng mang cao tần (fsm) Biên độ biến thiên theo sự biến đổi biên độ của tín hiệu âm tần uat. Hệ số điều chế m phải thỏa mãn điều kiện m≤1. Khi m>1 thì mạch có hiện tượng quá điều chế và tín hiệu bị méo trầm trọng d. Đặc điểm các bộ điều chế biên độ AM * Nguyên tắc chung Công thức điều chế AM như sau: uAM=Usm (1+mcos2πf att)cos2πfsmt Công thức trên cho ta biết quan hệ giữa tín hiệu sau điều chế u AM và sóng mang usm. Đây là qua hệ phi tuyến. Vì vậy muốn tạo thành tín hiệu u AM thì sóng mang phải đi qua một khâu biến đổi phi tuyến, điều này có nghĩa là bộ điều chế AM là bộ biến đổi phi tuyến. Các phần tử phi tuyến có khả năng chế tạo bộ điều chế gồm: tranzitor lưỡng cực, tranzitor trường FET, diode.v.v. 4.2.2.4 Điều chế tần số FM a. Phương pháp FM (Fryquency Moducation) tức điều chế tần số. Điều tần FM là quá trình làm cho tần số của sóng mang cao tần biến đổi theo dạng tín hiệu mang thông tin cần truyền đi xa (tần số thấp). Tín hiệu thu được gọi là sóng mang điều tần FM. b. Phương trình điều chế Để đơn gản, giả thiết tín hiệu âm tần u at và sóng mang cao tần usm đều là dao động điều hoà ta có: uat=Uatcosωatt= Uatcos2πfatt usm=Usmcos(ωsmt+φo) = Usmcosψ(t) và điều kiện ωsm»ωat Vì giữa tần số f và góc pha của một dao động có quan hệ với nhau nên dễ dàng chuyển đổi sự biến thiên tần số thành biến thiên về pha và ngược lại. d t  (t) (t)dt (t) dt 0 t u U cos[(t)] U cos[ (t)dt (t)] FM sm sm 0 Khi điều tần thì: ω(t)= ω sm+ kđt Uatcosωatt và góc pha đầu không đổi nên (t) 0 63
Bài giảng Thiết bị điện tử Bộ môn Điện tử - Tin hoc Vậy: t u U cos[ ( k U cos t)dt ] FM sm sm đt at at 0 0 U sm cos[smt (kđtU atat )sinatt 0 ] c. Nhận xét - Dạng tín hiệu FM sau khi điều chế như sau Hình 4.8: Dạng tín hiệu đã điều chế FM - Tín hiệu sau điều tần AM là sóng mang có đặc điểm như sau: Tín hiệu sau điều chế u FM là một dao động có biên độ không đổi nhưng tần số biến thiên theo sự biến đổi biên độ của tín hiệu âm tần uat. Khi biên độ tín hiệu âm tần tăng thì tần số FM tăng, khi biên độ âm tần giảm thì tần số FM giảm d. Đặc điểm các bộ điều chế tần số * Nguyên tắc chung: Nguyên tắc cơ bản của FM là biến đổi tần số sóng mang theo tín hiệu âm tần. Mạch dao động LC hoặc mạch dao động thạch anh sẽ tạo ra sóng mang. Mục đích tiếp theo là thay đổi tần số của bộ tạo dao động theo tín hiệu âm tần. Trong mạch dao động LC, tần số sóng mang tạo ra được xác định bởi giá trị điện cảm L và điện dung C của mạch cộng hưởng . Tần số này thay đổi heo giá trị của L và C. Để có thể điều chế tần số ta cần tím mạch có sự biến đổi giá trị C hoặc L khi điện áp đặt vào nó thay đổi. Một thành phần hay được sử dụng là tụ điện thay đổi theo điện áp đặt vào- sử dụng diode biến dung (hay còn gọi diode Varicap). 4.2.3 Tách sóng (Giải điều chế) 4.2.3.1 Định nghĩa Tách sóng (Giải điều chế) là quá trình phục hồi lại tín hiệu trước điều chế, tách tín hiệu điều chế ban đầu ra khỏi sóng mang cao tần. Như vậy, tách sóng là quá trình ngược với quá trình điều chế. Do đó mạch tách sóng phải thoản mãn một số yêu cầu sau: Đảm bảo hệ số truyền đạt điện áp tốt 64