Kỹ thuật đo lường điện – Điện tư - Chương III: Quan sát và ghi dạng tín hiệu

68 trang vanle 2860

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Kỹ thuật đo lường điện – Điện tư - Chương III: Quan sát và ghi dạng tín hiệu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

ky_thuat_do_luong_dien_dien_tu_chuong_iii_quan_sat_va_ghi_da.pdf

Nội dung text: Kỹ thuật đo lường điện – Điện tư - Chương III: Quan sát và ghi dạng tín hiệu

Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 88 - CHÖÔNG III: QUAN SAÙT VAØ GHI DAÏNG TÍN HIEÄU 1. DAO ÑOÄNG KYÙ ÑIEÄN TÖÛ Trong kyõ thuaät ño löôøng ñieän vaø voâ tuyeán ñieän, moät trong nhöõng yeâu caàu cô baûn ñeå xaùc ñònh tín hieäu laø quan saùt daïng vaø ño caùc tham soá cuûa tín hieäu. Caùc tín hieäu ñieän vaø voâ tuyeán ñieän laø nhöõng haøm bieán thieân theo thôøi gian. Do vaäy, neáu thöïc hieän ñöôïc moät thieát bò ñeå veõ tröïc tieáp ñoà thò bieán thieân cuûa tín hieäu theo thôøi gian thì coù theå quan saùt ñöôïc hình daïng vaø ño löôøng ñöôïc caùc thoâng soá ñaëc tính cuûa noù. Thieát bò cho pheùp quan saùt vaø ño ñaïc caùc tham soá cuûa tín hieäu laø maùy hieän soùng hay dao ñoäng kyù ñieän töû (oscilloscope). Dao ñoäng kyù ñieän töû laø thieát bò ño thöïc hieän veõ dao ñoäng ñoà vaø hieän hình daïng soùng tín hieäu nhôø oáng tia ñieän töû CRT (Cathode Ray Tube). Dao ñoäng kyù ñieän töû coù theå ño haøng loaït caùc thoâng soá cuûa tín hieäu: trò ñænh, trò töùc thôøi cuûa ñieän aùp, doøng ñieän; ño thôøi haïn xung, taàn soá, ño di pha, ño heä soá ñieàu cheá bieân ñoä, veõ ñaëc tuyeán caùc linh kieän. Nhôø trôû khaùng loái vaøo raát lôùn neân pheùp ño coù öu ñieåm khoâng laøm aûnh höôûng tôùi cheá ñoä coâng taùc cuûa maïch. Nhôø ñoä nhaïy cao dao ñoäng kyù ñieän töû cho pheùp khaûo saùt caùc quaù trình raát yeáu caû tuaàn hoaøn laãn quaù trình xung vôùi khaû naêng phaân bieät cao. Caùc dao ñoäng kyù ñieän töû ñöôïc phaân loaïi theo caùc daáu hieäu khaùc nhau: – Phaân loaïi theo daõi taàn: taàn cao, taàn thaáp; – Phaân loaïi theo keânh ño: 1 keânh, 2 keânh, nhieàu keânh; – Phaân loaïi theo soá tia ñieän töû: 1 tia hay nhieàu tia; – Loaïi coù nhôù hay khoâng coù nhôù. Nhôø caùc ñaëc tính quyù baùu nhö treân neân dao ñoäng kyù ñieän töû laø thieát bò ño cô baûn vaø quan troïng khoâng theå thieáu trong caùc phoøng thí nghieäm ñieän töû. Sô ñoà khoái chöùc naêng cuûa dao ñoäng kyù ñieän töû 1 chuøm tia chæ ra treân hình 3-1. Ñaàu vaøo Y Khueách ñaïi keânh Y Y Ñoàng boä trong Ñoàng boä X X ngoaøi Khueách ñaïi Ñoàng boä löôùi Taïo chuaån Löôùi M ñoàng boä thôøi gian 50Hz Y HV Queùt ñôïi Queùt lieân tuïc Khueách ñaïi keânh X Ñaàu vaøo X Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 89 - Hình 3-1. Dao ñoäng kyù ñieän tö.û § 2. TAÀNG KHUEÁCH ÑAÏI KEÂNH Y Sô ñoà nguyeân lyù cuûa taàng khueách ñaïi keânh Y nhö hình 3-2. Hình 3-2. Taàng khueách ñaïi keânh Y Ñieän aùp caàn khaûo saùt qua maïch loái vaøo (DC hoaëc AC), sau ñoù qua boä suy giaûm vaø ñöa vaøo taàng khueách ñaïi vi sai treân caùc transistor Q2,, Q3 . Caùc transistor Q1 vaø Q4 laø caùc maïch gaùnh emiter ñeå taïo trôû khaùng vaøo lôùn. Khi theá loái vaøo Vi = 0, ta coù VB1 = 0. Ñieàu chænh bieán trôû R10 sao cho VB4 = 0. Luùc ñoù 2 nöûa vi sai caân baèng, IC2 = IC3. Suït aùp treân R3 vaø R6 cho ta caùc ñieän aùp treân collector cuûa Q1 vaø Q2 töông öùng baèng nhau. Do ñoù VC2 – VC3 = 0V. Khi coù tín hieäu vaøo theo chieàu döông, laøm theá ñaùy VB2 taêng, IC2 taêng daãn ñeán IC3 giaûm. Doøng IC2 taêng khieán VC2 giaûm döôùi möùc ñaát, traùi laïi, doøng IC3 giaûm khieán VC3 taêng treân möùc ñaát. Neáu ∆VC2 = –1V thì ∆VC3 = +1V, nghóa laø coù 2 ñieän aùp ngöôïc chieàu nhau ñaët treân collector cuûa Q2 vaø Q3. Hieäu ñieän theá naøy seõ ñaët leân 2 phieán leäch ñöùng YY cuûa oáng tia ñieän töû. Chieát aùp R10 laøm nhieäm vuï ñieàu chænh möùc DC. Khi tieáp ñieåm ñoäng cuûa R10 ôû giöõa, VB4 = 0 (ôû möùc theá ñaát). Khi tieáp ñieåm ñoäng cuûa R10 dòch chuyeån leân phía treân, VB4 > 0 , VB3 taêng theo chieàu döông laøm IC3 taêng, neân IC2 giaûm, VC3 giaûm vaø VC2 taêng. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 90 - Theá naøy ñaët vaøo phieán laùi tia laøm chuøm electron leäch leân treân taâm maøn hình, keát quaû toaøn boä hình veõ naâng leân treân möùc DC bình thöôøng. Ngöôïc laïi, khi tieáp ñieåm ñoäng cuûa R10 dòch xuoáng phía döôùi laøm möùc DC vaø toaøn boä hình veõ dòch xuoáng döôùi. § 3. HIEÄN HÌNH DAÏNG SOÙNG Nguyeân taéc veõ dao ñoäng ñoà cuûa dao ñoäng kyù ñieän töû coù theå minh hoïa treân hình 3-3. a) b) c) d) Hình 3-3 3.1. Khi chöa coù tín hieäu ñaët vaøo caùc phieán laùi tia XX vaø YY thì chuøm tia ñieän töû seõ ñaäp vaøo giöõa taâm maøn hình. Treân maøn coù 1 veát saùng troøn (hình 3- 3,a); 3.2. Khi ñaët moät ñieän aùp queùt daïng raêng cöa Ux vaøo phieán leäch ngang XX, chuøm tia ñieän töû seõ di chuyeån theo phöông ngang vaø veõ neân moät veät saùng naèm ngang treân maøn hình. Ñaây laø cheá ñoä queùt ñôïi thöôøng tröïc cuûa maùy hieän soùng (hình 3-3,b). 3.3. Khi chæ coù ñieän aùp xoay chieàu hình sin Uy ñaët vaøo phieán leäch ñöùng YY, chuøm tia ñieän töû seõ di chuyeån theo phöông thaúng ñöùng vôùi taàn soá cuûa ñieän aùp hình sin. Treân maøn hình seõ coù 1 veät saùng thaúng ñöùng (hình 3-3,c). 3.4. Neáu treân phieán XX taùc ñoäng ñieän aùp queùt Ux, treân phieán leäch ñöùng YY ñaët ñieän aùp xoay chieàu hình sin Uy. Khi coù söï ñoàng boä giöõa Ux vaø Uy thì treân maøn hình ta seõ quan saùt ñöôïc daïng soùng cuûa ñieän aùp hình sin (hình 3-3,d). Tuøy thuoäc vaøo tyû soá taàn soá giöõa ñieän aùp queùt Ux vaø ñieän aùp hình sin Uy maø treân maøn hình ta seõ quan saùt ñöôïc soá chu kyø cuûa ñieän aùp Uy. –Ví duï. Moät soùng tam giaùc 500 Hz vôùi bieân ñoä ñænh 50V ñöôïc ñöa vaøo phieán leäch ñöùng YY cuûa oáng tia ñieän töû CRT. Treân caùc taám leäch ngang XX ñaët vaøo ñieän aùp queùt raêng cöa taàn soá 250Hz, bieân ñoä ñænh 50V. CRT coù ñoä nhaïy laùi tia ñöùng Sy Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 91 - = 0,1 cm/V; ñoä nhaïy laùi tia ngang Sx = 0,08 cm/V. Giaû söû hai tín hieäu ñöôïc ñoàng boä hoùa. Haõy xaùc ñònh vaø veõ daïng soùng treân maøn hình. Ta coù: Chu kyø cuûa soùng queùt raêng cöa (hình 3-4,a) laø: Tx = 1/fx = 1/ 250 Hz = 4 ms Vôùi soùng tam giaùc (hình 3-4,b): Ty= 1/fy = 1/500 Hz = 2 ms; +50V 0 1234 ms -1 2 ,5 -2 5 -3 7 ,5 -5 0 V a) +40V 0 -4 0 V b) y 2 6 1 3 5 7 9 0 x 4 8 c) Hình 3-4. Nguyeân taéc hieän hình daïng soùng Chuøm tia ñieän töû seõ dòch chuyeån theo söï ñieàu khieån cuûa ñieän aùp ñaët vaøo caùc phieán leäch ñöùng vaø leäch ngang. Goïi toïa ñoä cuûa ñieåm saùng treân maøn hình theo caùc truïc toïa ñoä Oxy töông öùng. Ta haõy xeùt caùc thôøi ñieåm sau: – Taïi thôøi ñieåm t = 0 , ñieän aùp ñaët vaøo caùc phieán leäch ñöùng vaø leäch ngang töông öùng laø: Vy = 0V; Vx = -50V. Nhö vaäy, ñoä leäch ñöùng cuûa tia ñieän töû y = 0, coøn ñoä leäch ngang laø: x = Vx . Sx = -50 V . 0,08 cm/V = -4 cm. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 92 - Vò trí cuûa ñieåm saùng treân maøn hình (ñieåm 1) coù toïa ñoä (-4, 0). – Khi t = 0,5ms: Vx = -37,5V; Vy = 40V. Toaï ñoä cuûa chuøm tia ñieän töû baây giôø seõ laø: x = Vx . Sx = -37,5. 0,08 = -3 cm; y = Vy . Sy = 40 . 0,1 = 4 cm. Ñieåm 2 treân maøn hình coù toïa ñoä (-3, 4). – Taïi t = 1 ms (ñieåm 3); Vx = -25V, Vy = 0V, x= -25. 0,08 = -2cm, y = 0; öùng vôùi toïa ñoä (-2, 0). – Taïi t = 1,5 ms (ñieåm 4) ; x = -12,5 . 0,08 = -1cm; y=-40. 0,1 = -4cm. – Taïi t = 2 ms (ñieåm 5); x = 0; y = 0. v.v – cho ñeán thôøi ñieåm t = 4 ms (ñieåm 9), khi ñoù ñieåm saùng treân maøn hình seõ coù toïa ñoä töông öùng vôùi (x=4cm, y=0). Treân baûng 3-1 chæ ra caùc tham soá töông öùng vôùi nhöõng tính toaùn noùi treân. Baûng 3-1 Thôøi ñieåm 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 (ms) Ñieän aùp V xx -50 -37,5 -25 -12,5 0 12,5 25 37,5 50 (V) Ñieän aùp V yy 0 40 0 -40 0 40 0 -40 0 (V) Ñoä leäch ngang -4 -3 -2 -1 0 11 2 3 4 x (cm) Ñoä leäch ñöùng 0 4 0 -4 0 4 0 -4 0 y (cm) Ñieåm saùng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ñoà thò daïng soùng hieän hình treân dao ñoäng kyù ñieän töû chæ ra treân hình 3-4, c cho thaáy sau moät chu kyø cuûa ñieän aùp queùt raêng cöa Vx treân maøn hình ta nhaän ñöôïc 2 chu kyø cuûa ñieän aùp soùng tam giaùc Vy. § 4. BOÄ TAÏO GOÁC THÔØI GIAN 4.1. Boä taïo dao ñoäng queùt raêng cöa. Sô ñoà nguyeân lyù cuûa maïch taïo dao ñoäng raêng cöa chæ ra treân hình 3-5. Maïch goàm 2 khoái chöùc naêng chính laø: boä taïo soùng queùt raêng cöa vaø trigger Schmitt khoâng ñaûo. Ñieän aùp loái ra cuûa maïch taïo soùng queùt raêng cöa V1 ñöôïc ñöa vaøo loái vaøo cuûa trigger Schmitt. Do ñoä lôïi cuûa maïch khueách ñaïi thuaät toaùn raát lôùn ( ∼20.000) neân moãi thay ñoåi nhoû giöõa 2 loái vaøo cuûa trigger cuõng laøm cho loái ra cuûa noù ôû möùc baõo hoøa. –Nguyeân taéc hoaït ñoäng. Maïch taïo soùng queùt raêng cöa hoaït ñoäng treân cô sôû naïp vaø phoùng cuûa tuï ñieän. Transistor Q1 vaø caùc ñieän trôû thieân aùp cho noù taïo neân nguoàn doøng Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 93 - oån I1 ñeå naïp cho tuï C1. Transistor Q2 ñoùng vai troø khoùa xaû cho tuï C1 vaø ñöôïc ñieàu khieån bôûi xung loái ra cuûa trigger schmitt. ÔÛ traïng thaùi ban ñaàu theá loái ra cuûa trigger ôû möùc baõo hoøa aâm, Q2 khoùa, C1 ñöôïc naïp baèng doøng I1. Theá treân tuï taêng tuyeán tính theo quy luaät: I1t ∆V1 = (3-1) C1 Khi theá treân tuï ñaït möùc ngöôõng cuûa trigger schmitt : R6 VC1 = Vng = ±(VCC −1) (3-2) R5 Trigger chuyeån traïng thaùi loái ra leân baõo hoøa döông. Theá baõo hoøa naøy laøm cho transistor Q2 nhanh choùng daãn thoâng baõo hoøa, môû ñöôøng cho tuï C1 xaû nhanh qua Q2. Khi theá treân tuï C1 giaûm xuoáng möùc ngöôõng döôùi kích trigger chuyeån traïng thaùi loái ra sang baõo hoøa aâm, caám Q2 vaø tuï C1 laïi ñöôïc naïp laïi. Cöù nhö theá loái ra treân collector Q1 ta coù daïng soùng raêng cöa vôùi maët tröôùc taêng tuyeán tính, maët sau gaàn nhö doác ñöùng. Ñeå thay ñoåi chu kyø soùng queùt raêng cöa, ta coù theå thay ñoåi nguoàn doøng I1 baèng caùch ñieàu chænh bieán trôû R3, hoaëc thay ñoåi thôøi haèng cuûa maïch naïp nhôø chuyeån maïch tuï C1 ( nuùm chuyeån maïch TIME/DIV treân maët maùy – xem hình 3-5). Möùc ngöôõng treân Möùc ngöôõng döôùi Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 94 - Hình 3-5. Nguyeân lyù cuûa maïch taïo soùng queùt –Ví duï. Maïch taïo soùng queùt treân hình 3-5 coù: R1 =2,2 K; R2 = 4,5K; R3=4,2K; C1 = 0,25µF, R5 = 27K; R6 = 3,9K. Ñieän aùp nguoàn nuoâi ±VCC = ±15V. Caùc transistor Q1 vaø Q2 laø transistor Si. Haõy tính bieân ñoä ñænh – ñænh VPP vaø chu kyø daïng soùng raêng cöa T. Ta coù: Ñieän aùp ngöôõng cuûa trigger schmitt: R6 3,9K Vng = ±(VCC −1) = ±(15 −1) = ±2V R5 2,7K Bieân ñoä ñænh-ñænh cuûa ñieän aùp raêng cöa seõ laø: VPP = 2 Vng = 2 x 2V = 4V Ñieän aùp treân ñaùy cuûa Q1 laø: R1 VB1 = VCC = 4,9V (vôùi giaû thieát I B1 << I B2 ). R1 + R2 VB1 − VBE 4,9V − 0,7V Nguoàn doøng: I C1 = = = 1mA R3 4,2K ∆V1 = 4VPP ∆V ⋅C 4 ⋅ 0,25µF T = 1 1 = = 1ms I C1 1mA 4.2. Boä taïo goác thôøi gian töï ñoäng. Ñeå hieän hình chính xaùc daïng soùng, caàn thöïc hieän ñoàng boä hoùa giöõa soùng queùt raêng cöa vaø tín hieäu caàn khaûo saùt. Khi maát ñoàng boä hình seõ bò troâi raát khoù quan saùt. Söï ñoàng boä hoùa ñöôïc thöïc hieän nhôø ñaàu vaøo ñoàng boä cuûa maïch trigger Schmitt ôû hình 3-5. Sô ñoà khoái cuûa boä taïo goác thôøi gian töï ñoäng minh hoïa treân hình 3-6. Ñieän aùp caàn nghieân cöùu ñöôïc ñöa vaøo boä khueách ñaïi ñöùng YY vaø boä khueách ñaïi khôûi ñoäng cuûa boä taïo goác thôøi gian. Boä khueách ñaïi khôûi ñoäng coù ñaàu ra vi sai vôùí 2 ñieän aùp ngöôïc pha nhau V01 vaø V02. Ñieàu chænh heä soá khueách ñaïi ñeå ñaït baõo hoøa sao cho soùng loái ra bò caét ñænh tôùi möùc gaàn vuoâng. Chuyeån maïch S2 choïn soùng V01 hay V02 ñöa vaøo trigger schmitt (coù caùc ngöôõng Vn1 vaø Vn2 naèm ñoái xöùng qua möùc ñaát). Tín hieäu loái ra cuûa trigger schmitt laø soùng vuoâng ñoàng boä hoùa chính xaùc vôùi tín hieäu ñöa vaøo caùc phieán leäch ñöùng YY. Soùng vuoâng qua maïch vi phaân sau ñoù qua maïch caét phaàn xung döông, laáy phaàn xung muõi aâm ñeå ñöa vaøo loái vaøo ñoàng boä cuûa maïch taïo soùng queùt raêng cöa. Tín hieäu ra töø maïch taïo soùng queùt V2 (xem hình 3-5) loái ra cuûa trigger schmitt laø daïng xung ñöôïc ñaûo vaø vi phaân, taïo thaønh xung döông trong thôøi gian queùt thuaän vaø xung aâm trong thôøi gian queùt ngöôïc ñöa veà löôùi ñieàu cheá M cuûa CRT. Caùc xung aâm (xung xoùa) seõ keùo löôùi xuoáng möùc aâm ñuû ñeå xoùa hoaøn toaøn chuøm electron trong thôøi gian queùt ngöôïc. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 95 - Treân hình 3-7 minh hoïa söï ñoàng boä hoùa soùng queùt raêng cöa vaø soùng tín hieäu caàn nghieân cöùu, khi hieän hình moät chu kyø (hình 3-7,a) vaø hieän 2 chu kyø (hình 3-7,b). Daïng soùng vaøo Daïng soùng hieän treân maøn hình Ngöôõng khôûi Xung queùt ñoäng treân Ngöôõng khôûi ñoäng döôùi Xung muõi ñoàng boä Xung nhoïn bò xoùa Hình 3-7. Ñoàng boä hoùa soùng queùt raêng cöa vaø tín hieäu nghieân cöùu Hình 3-6. Boä taïo goác thôøi gian töï ñoäng Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 96 - § 5. DAO DOÄNG KYÙ NHIEÀU KEÂNH Thoâng thöôøng caùc dao ñoäng kyù ñieän töû ñöôïc thieát keá nhieàu keânh ñeå coù theå hieän hình ñoàng thôøi töø 2 daïng soùng trôû leân. Caùc dao ñoäng kyù nhieàu keânh cho pheùp deã daøng quan saùt, so saùnh vaø ño ñaïc caùc tham soá cuûa caùc tín hieäu moät caùch ñoàng thôøi; chaúng haïn coù theå quan saùt ñoàng thôøi tín hieäu loái vaøo vaø tín hieäu loái ra cuûa moät boä khueách ñaïi, moät boä bieán ñoåi ñieän töû, hay moät maïng töù cöïc noùi chung; töø ñoù deã daøng xaùc ñònh ñöôïc caùc tham soá ñaëc tính cuûa maïch. Ñoái vôùi dao ñoäng kyù 2 keânh, coù theå thöïc hieän theo 2 phöông phaùp: 5.1. OÁng tia ñieän töû CRT ñöôïc thieát keá vôùi 2 suùng phoùng ñieän töû, 2 keânh ñieàu khieån leäch ñöùng rieâng bieät vaø moät keânh leäch ngang chung (hình 3-8). Tröôøng hôïp naøy dao ñoäng kyù coøn goïi laø maùy hieän soùng 2 chuøm tia. 5.2. OÁng tia ñieän töû vôùi 1 suùng ñieän töû, nhöng ñöôïc taùch thaønh 2 keânh nhôø moät boä chuyeån maïch ñieän töû. Taàn soá chuyeån maïch ñöôïc ñieàu khieån nhôø boä taïo goác thôøi gian (hình 3-9). Hình 3-8. Dao ñoäng kyù vôùi CRT coù 2 keânh rieâng bieät Hình 3-9. Dao ñoäng kyù vôùi 2 keânh duøng chuyeån maïch ñieän töû Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 97 - Vôùi dao ñoäng kyù ña keânh kieåu duøng chuyeån maïch ñieän töû, hoaït ñoäng cuûa boä taïo queùt coù theå thöïc hieän theo moät trong hai cheá ñoä hoaëc laø queùt kieåu luaân phieân hoaëc laø queùt theo kieåu ngaét quaûng (chop mode switching). Treân hình 3-10 minh hoïa nguyeân taéc hoaït ñoäng cuûa kieåu queùt luaân phieân, trong ñoù: VA – daïng soùng sin ñöa vaøo keânh A, chu kyø T; VB – Daïng soùng tam giaùc ñöa vaøo keânh B. Caû 2 soùng ñöôïc ñoàng boä hoùa vaø ñöôïc dòch möùc DC. Ñieän aùp ñöa vaøo keânh A laø VA ñöôïc dòch leân treân möùc ñaát, coøn ñieän aùp VB dòch xuoáng döôùi möùc ñaát (hình 3-10,a). Boä chuyeån maïch cho theá VA töø keânh A vaøo khueách ñaïi ñöùng trong khoaûng thôøi gian töø 0 ÷ t1, vaø cho theá VB töø keânh B vaøo khueách ñaïi ñöùng trong khoaûng thôøi gian töø t1 ÷ t2 (hình 3-10,c). Taàn soá laëp laïi cuûa chuyeån maïch ñuû lôùn cho pheùp caùc daïng soùng coù veû hieän moät caùch ñoàng thôøi treân maøn hình (hình 3-10,d). VA VA a) VB VB Ñieän aùp queùt Ñieän aùp b) chuyeån maïch t t t t t t t Ñieän aùp vaøo 1 2 3 4 5 6 7 khueách ñaïi khueách Y c) Daïng soùng hieän vôùi tín hieäu cao taàn Daïng soùng hieän treân maøn hình d) Hình 3-10. Kieåu queùt luaân phieân Hình 3-11. Kieåu queùt ngaét quaûng Trong cheá ñoä queùt kieåu ngaét quaûng thì hoaït ñoäng cuûa maïch ñöôïc minh hoïa treân hình 3-11. Trong thôøi gian t1 boä chuyeån maïch cho tín hieäu keânh A ñöa vaøo keânh khueách ñaïi ñöùng, trong thôøi gian t2 cho tín hieäu keânh B, sau ñoù tieáp tuïc tín hieäu keânh A vaøo trong thôøi gian t3 vaø tín hieäu keânh B vaøo trong thôøi gian t4 , v.v Cöù nhö theá daïng soùng vaøo ñöôïc löôïng töû hoùa theo taàn soá cuûa ñieän aùp chuyeån maïch, vaø hình daïng soùng ñoái vôùi caùc tín hieäu cao taàn coù daïng nhö chæ ra treân hình 3-11. Ñoái vôùi caùc tín hieäu taàn thaáp veát giaùn ñoaïn laø khoâng nhìn thaáy. Nhö vaäy, cheá ñoä queùt luaân phieân thích hôïp ñoái vôùi caùc tín hieäu cao taàn, coøn kieåu ngaét quaûng toát ñoái vôùi caùc tín hieäu taàn thaáp. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 98 - § 6. ÑAÀU DOØ CUÛA DAO ÑOÄNG KYÙ 6.1. Ñaàu doø 1:1. Khaùc vôùi caùc maùy ño thoâng thöôøng, caùc ñaàu ño cuûa dao ñoäng kyù ñieän töû laøm baèng caùp ñoàng truïc noái vôùi ñaàu doø (probe). Moãi probe coù 2 ñaàu noái: ñaàu vaøo vaø ñaàu tieáp ñaát. Ñaàu tieáp ñaát noái vôùi maøn chaén cuûa caùp, coøn ñaàu vaøo noái vôùi loõi cuûa caùp ñoàng truïc duøng ñeå ñaãn tín hieäu caàn ño (hình 3-12). Hình 3-12. Ñaàu doøø(probe) 1:1 cuûa dao ñoäng kyù ñieän töû. Kieåu ñaàu doø naøy ñöôïc goïi laø ñaàu doø 1:1. Maïch ñieän töông ñöông cuûa ñaàu doø khi noái vôùi nguoàn tín hieäu nhö treân hình 3-13. Caùp ñoàng truïc coù moät ñieän dung töông ñöông Ccc maø giaù trò cuûa noù côõ haøng traêm picoâFara. Trôû khaùng vaøo cuûa maùy hieän soùng thöôøng laø 1MΩ maéc song song vôùi moät ñieän dung côõ 30pF. Trôû khaùng toaøn phaàn do caùp ñoàng truïc vaø ñaàu vaøo cuûa maùy hieän soùng phaûi ñaûm baûo luoân luoân lôùn hôn nhieàu so vôùi trôû khaùng cuûa nguoàn tín hieäu. Neáu ñieàu kieän treân khoâng thoûa maõn tín hieäu seõ bò suy giaûm vaø pha seõ bò dòch chuyeån khi noái vôùi maùy hieän soùng. Hình 3-13. Maïch töông ñöông cuûa ñaàu doø khi noái vôùi nguoàn tín hieäu ÔÛ nhöõng taàn soá maø dung khaùng cuûa caùc tuï (Ccc + Ci) lôùn hôn nhieàu so vôùi caùc ñieän trôû thuaàn Rs vaø Ri thì aûnh höôûng cuûa ñieän dung khoâng ñaùng keå. Ñieän aùp loái vaøo maùy hieän soùng laø: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 99 - Ri Vi = Vs (3-3) Rs +Ri Vôùi söï taêng cuûa taàn soá tín hieäu, dung khaùng seõ nhoû daàn vaø tín hieäu vaøo seõ bò suy giaûm ñaùng keå khi truyeàn qua probe. ÔÛ taàn soá maø dung khaùng baèng Rs tín hieäu seõ bò suy giaûm 3dB vaø bò dòch pha 45o. 6.2. Ñaàu doø suy giaûm. Ñaàu doø suy giaûm duøng ñeå giaûm möùc tín hieäu vaøo theo moät heä soá nhaát ñònh, thöôøng laø tyû leä 10:1. Sô ñoà maïch noái ñaàu doø suy giaûm 10:1 vôùi nguoàn tín hieäu, sô ñoà töông ñöông vaø caáu taïo cuûa probe chæ ra treân hình 3-14. a) Rs R1 C1 C 2 = C i + C cc Vs Vi Ri C2 c) b) h 3-14. Maïch ñaàu doø suy giaûm 10:1 cuûa maùy hieän soùng. a) Sô ñoà noái ñaàu doø vôùi nguoàn tín hieäu, b) Sô ñoà töông ñöông, ÔÛ daûi taàn thaáp vaø trung bình, aûnh höôûng cuûa caùc ñieän dung laø nhoû, neân khoâng gaây aûnh höôûng nhieàu ñeán vieäc truyeàn daãn tín hieäu. Ñieän aùp vaøo maùy hieän soùng laø: Ri Vi = Vs (3-4) R1 + Rs + Ri Khi Rs << R1 thì: Ri Vi ≈ Vs (3-5) R1 + Ri Vôùi R1 = 9MΩ vaø Ri = 1MΩ, thì: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 100 - 1MΩ V V = V = s i s 9MΩ + 1MΩ 10 Ñoä suy giaûm tín hieäu do aûnh höôûng cuûa caùc tuï ñieän ñoäc laäp coù theå xaùc ñònh nhö sau: XC2 1/ ωC2 1 Vi = VS = VS = VS ; XC1 + XC2 1/ ωC1 + 1/ ωC2 (C2 / C1 ) + 1 C1 Vi = VS . (3-6) C1 + C2 Trong ñoù C2 laø ñieän dung töông ñöông cuûa caùp ñoàng truïc Ccc vaø ñieän dung vaøo cuûa maùy hieän soùng Ci. Khi maïch tuï laøm suy giaûm tín hieäu theo cuøng tyû leä nhö maïch ñieän trôû thì töø (3-5) vaø (3-6) ta coù: R C i = 1 (3-7) R1 + Ri C1 + C2 Neáu veõ giaûn ñoà pha coù theå thaáy roõ ñieän aùp treân tuï C2 vaø Ri laø cuøng pha vaø baèng nhau veà maët bieân ñoä. Nhö vaäy tuï C1 buø tröø hoaøn toaøn söï coù maët cuûa tuï C2. Noùi caùch khaùc, söï suy giaûm do aûnh höôûng cuûa tuï C2 ñöôïc buø tröø nhôø ñieän dung C1. Giaù trò cuûa tuï C1 ñöôïc tính theo heä thöùc: Ri C1 = C2 (3-8) R1 Treân hình 3-14,c laø caáu taïo ñieån hình cuûa moät ñaàu doø suy giaûm. C1 laø ñieän dung giöõa caùc oáng truï kim loaïi ñoàng taâm maéc song song vôùi R1. Moät kieåu ñaàu doø suy giaûm 10:1 khaùc vaø maïch töông ñöông cuûa noù veõ treân hình 3-15. Trong tröôøng hôïp naøy, C1 laø tuï coá ñònh, coøn tuï bieán ñoåi phuï C3 maéc song song vôùi Ci vaø Ccc. Hình 3-15. Ñaàu doø 10:1 – sô ñoà maïch vaø ñaàu vaøo cuûa maùy hieän soùng 6.3. Ñaàu doø chuû ñoäng (Active probe). Ñaàu doø chuû ñoäng chöùa caùc boä khueách ñaïi ñieän töû nhaèm taêng trôû khaùng loái vaøo vaø giaûm thieåu ñieän dung vaøo. Trong caùc ñaàu doø chuû ñoäng hieän ñaïi söû duïng caùc taàng vaøo FET, hoaëc khueách ñaïi thuaät toaùn ñaàu vaøo FET ñöôïc maéc theo kieåu laëp aùp. Trôû khaùng vaøo thoâng thöôøng töø 1MΩ ÷ 10MΩ //3,5pF. Phaûi coù nguoàn nuoâi cho boä khueách ñaïi hoaït ñoäng. Nguoàn nuoâi naøy coù theå laáy töø maùy hieän soùng hoaëc taïo boä nguoàn rieâng. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 101 - § 7. DAO DOÄNG KYÙ COÙ NHÔÙ 7.1. Dao ñoäng kyù coù nhôù daïng töông töï. Trong thöïc teá kyõ thuaät coù nhöõng tröôøng hôïp caàn phaûi nghieân cöùu nhöõng tín hieäu khoâng laëp laïi, nhöõng bieán coá ñôn. Ñeå coù theå löu giöõ ñöôïc daïng tín hieäu ngöôøi ta söû duïng caùc dao ñoäng kyù coù nhôù daïng töông töï. Ta bieát raèng ñoái vôùi caùc dao ñoäng kyù thoâng thöôøng, söï phaùt saùng huyønh quang treân maøn hình xaûy ra khi ñöôïc chuøm tia ñieän töû coù naêng löôïng ñuû lôùn ñaäp vaøo. Thôøi gian phaùt saùng chæ côõ miligiaây vaø noù phuï thuoäc vaøo baûn chaát cuûa chaát huyønh quang vaø ñöôïc ñaëc tröng baèng ñoä dö huy cuûa chaát ñoù. Trong caùc dao ñoäng kyù coù nhôù. CRT ñöôïc cheá taïo ñaëc bieät cho pheùp hình aûnh treân maøn huyønh quang coù theå löu saùng haøng giôø hoaëc laâu hôn. Treân hình 3-16 minh hoïa caáu truùc cuûa CRT loaïi nhôù töông töï kieåu löu saùng hai traïng thaùi oån ñònh. OÁng chuaån tröïc Write gun Flood gun Bia Ñeá bia (ZnO2) Hình 3-16. CRT nhôù töông töï kieåu löu saùng hai traïng thaùi oån ñònh Thuaät ngöõ hai traïng thaùi oån ñònh duøng cho caùc CRT coù theå hoaït ñoäng ôû moät trong 2 traïng thaùi coù nhôù vaø khoâng coù nhôù. Ngoaøi caùc boä phaän thoâng thöôøng nhö trong caùc CRT cuûa caùc dao ñoäng kyù khaùc (suùng ñieän töû write gun – suùng vieát, vaø caùc heä thoáng laùi tia), trong oáng CRT cuûa dao ñoäng kyù löu tröõ coøn coù theâm caùc boä phaän: 7.1.1. Heä thoáng suùng töôùi hay suùng phun (flood gun) ñaët phía sau taám laùi tia leäch ñöùng. Nhieäm vuï cuûa suùng töôùi laø taïo ra caùc electron coù naêng löôïng thaáp töôùi ñeàu khaép maøn hình. Do caùc electron coù naêng löôïng thaáp neân khoâng ñuû gaây phaùt saùng huyønh quang. 7.1.2. Maøn löu tröõ. Ñöôïc caáu taïo töø moät lôùp moûng oâxyùt keõm (ZnO2) treân phuû chaát huyønh quang. Lôùp oxyùt keõm goïi laø ñeá bia, maøn huyønh quang goïi laø bia. Hoaït ñoäng cuûa CRT loaïi löu saùng nhö sau: Khi chuøm tia ñieän töû töø suùng vieát coù naêng löôïng cao baén tôùi maøn huyønh quang (bia), maøn seõ phaùt saùng taïi nhöõng ñieåm bò electron ñaäp vaøo. Ñoàng thôøi vôùi vieäc phaùt quang seõ xaûy ra söï phaùt xaï caùc electron thöù caáp. Maøn (bia) taïi nhöõng choã bò kích hoaït Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 102 - do maát electron neân tích ñieän döông. Noùi caùch khaùc moät ñöôøng tích ñieän döông coù daïng cuûa tín hieäu vaøo seõ ñöôïc vaïch ra treân maøn huyønh quang. Chuøm tia ñieän töû töø suùng phun phaùt ra seõ ñöôïc huùt veà phía ñöôøng tích ñieän döông treân bia vaø chaïy veà ñeá bia coù theá döông hôn. Khi ñi qua lôùp nhôù huyønh quang chuùng laøm cho phoát pho tieáp tuïc phaùt saùng. Nhö vaäy maëc duø tín hieäu vaøo ñaõ taét, nhöng treân maøn hình ta vaãn giöõ ñöôïc daïng soùng cuûa noù. 7.2. Dao ñoäng kyù coù nhôù daïng soá Sô ñoà khoái cuûa dao ñoäng kyù soá ñöôïc chæ ra treân hình 3-17. Hoaït ñoäng cuûa maùy nhö sau: Ñieän aùp tín hieäu caàn nghieân cöùu sau khi qua maïch loái vaøo seõ ñöôïc laáy maãu vaø ñöôïc bieán ñoåi sang daïng soá nhôø khoái bieán ñoåi ADC (Analog to Digital Converter). Maõ soá loái ra cuûa ADC ñöôïc löu tröõ trong boä nhôù RAM vôùi ñòa chæ xaùc ñònh bôûi boä ñeám. Khi muoán ñöa döõ lieäu ra maøn hình, boä ñieàu khieån ñoïc ñòa chæ boä ñeám seõ goïi ñòa chæ trong RAM ñöa soá lieäu qua maïch bieán ñoåi soá töông töï DAC (Digital to Analog Converter). Tín hieäu töông töï loái ra cuûa DAC seõ qua maïch khueách ñaïi Y ñeå ñöa vaøo keânh leäch ñöùng YY cuûa CRT, ñoàng thôøi boä ñieàu khieån khôûi phaùt boä taïo goác thôøi gian ñeå taïo soùng queùt ñöa vaøo keânh leäch ngang XX. Treân maøn hình ta seõ quan saùt ñöôïc daïng soùng ñaõ löu tröõ. KÑ Laáy maãu ADC RAM DAC keânh Y Y Vaøo Y Vaøo ÑEÁM X keânh Y CONTROL X Y HV Goác KÑ thôøi gian keânh X Hình 3-17. Dao ñoäng kyù löu tröõ daïng soá Dao ñoäng kyù cuõng hoaït ñoäng ôû 2 cheá ñoä nhôù vaø khoâng nhôù. Tröôøng hôïp khoâng nhôù tín hieäu vaøo tröïc tieáp ñöa vaøo keânh khueách ñaïi Y ñeå ñöa vaøo ñieàu khieån phieán leäch YY cuûa CRT. § 8. DUÏNG CUÏ GHI BIEÅU ÑOÀ 8.1. Maùy ghi bieåu ñoà treân baêng kieåu ñieän keá Nguyeân taéc cuûa maùy ghi bieåu ñoà treân baêng giaáy kieåu ñieän keá duøng buùt ghi chæ ra treân hình 3-18. Treân truïc cuûa moät ñieän keá khung quay töø ñieän gaén moät buùt veõ, ñaàu Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 103 - buùt tì leân giaáy nhö hình veõ. Döôùi taùc duïng cuûa ñieän aùp ñaët vaøo, khung daây seõ quay vaø keùo theo buùt veõ vaïch leân giaáy. Ñoä leäch cuûa buùt seõ tyû leä thuaän vôùi ñieän aùp ñaët vaøo khung daây. Khi tôø giaáy chaïy vôùi toác ñoä khoâng ñoåi döôùi buùt veõ thì daïng soùng cuûa ñieän aùp vaøo seõ ñöôïc veõ ra treân giaáy. Do söï chuyeån ñoäng cuûa giaáy tyû leä vôùi thôøi gian neân duïng cuï treân coøn ñöôïc goïi laø maùy ghi bieåu ñoà theo toïa ñoä x(t). Hình 3-18. Maùy ghi bieåu ñoà treân baêng giaáy kieåu ñieän keá. Moät phöông phaùp khaùc ñeå veõ ñoà thò treân baêng giaáy minh hoïa treân hình 3-19. Trong tröôøng hôïp naøy heä thoáng laøm leäch laø moät ñieän keá nhoû coù göông quay kieåu chæ thò baèng aùnh saùng thay cho buùt veõ. Moät heä thoáng quang hoïc ñieàu tieâu chính xaùc chuøm tia saùng töû ngoaïi chieáu leân göông vaø phaûn chieáu leân baêng giaáy aûnh, keát quaû thu ñöôïc aûnh cuûa tín hieäu nghieân cöùu treân baêng giaáy aûnh. Hình 3-19. Maùy ghi bieåu ñoà treân baêng duøng tia saùng. Öu ñieåm chuû yeáu cuûa phöông phaùp naøy laø heä thoáng cho pheùp ghi caùc daïng soùng vôùi taàn soá cao tôùi 5kHz, trong khi maùy ghi kieåu duøng buùt bò haïn cheá toái ña laø 200Hz. Tuy nhieân phöông phaùp naøy ñoøi hoûi phaûi coù loaïi giaáy aûnh xöû lyù ñaëc bieät. Ngoaøi phaàn cô khí ñeå ñieàu khieån söï dòch chuyeån cuûa baêng giaáy thì phaàn coøn laïi cuûa maùy ghi gioáng nhö cô caáu cuûa moät voân keá ñieän töû töông töï. Sô ñoà maïch ñieàu khieån ñieän keá duøng cho maùy ghi nhö hình 3-20. Boä suy giaûm ñeå thay ñoåi khoaûng ñieän aùp loái vaøo vaø ñöôïc ñieàu chænh ñeå cho caùc taàm ño 1cm/V; 2cm/V hoaëc 0,1cm/V; v.v Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 104 - Heä thoáng ñieàu khieån keùo baêng giaáy duøng moâ tô vaø caùc heä thoáng truyeàn ñoäng baùnh raêng ñeå keùo giaáy ñöôïc ñieàu khieån baèng doøng ñieän nhôø caùc bieán trôû. Coù theå ñieàu chænh toác ñoä dòch chuyeån cuûa baêng giaáy ôû möùc cao tôùiø 5cm/s, hoaëc ôû möùc thaáp tôùi 5cm/h. Ngoaøi ra coøn coù theâm moät heä thoáng cô khí ñeå naâng vaø haï buùt. Hình 3-20. Maïch ñieàu khieån ñieän keá duøng cho maùy ghi bieåu ñoà 8.2. Maùyï ghi bieåu ñoà treân baêng kieåu chieát aùp. Hoaït ñoäng cuûa maùy ghi bieåu ñoà treân baêng giaáy kieåu chieát aùp theo nguyeân taéc bieán trôû töï caân baèng. Sô ñoà nguyeân lyù cuûa duïng cuï chæ ra treân hình 3-21 Buùt ghi ñöôïc gaén treân moät daây keùo vaø chuyeån ñoäng nhôø moâ tô. Ñaàu giöõ buùt gaén vôùi ñaàu con tröôït cuûa moät bieán trôû chieát aùp. Hai ñaàu cuûa chieát aùp ñaët döôùi nguoàn ñieän aùp moät chieàu (±E). Ñieän aùp laáy ra töø ñaàu con tröôït thoâng qua moät daây ñieän trôû nhoû qua maïch khueách ñaïi laëp laïi ñeå ñöa vaøo moät maïch coäng ñieän aùp. Moâ tô keùo ñieàu khieån buùt ghi hoaït ñoäng döôùi söï taùc ñoäng cuûa ñieän aùp treân loái ra cuûa boä khueách ñaïi coäng. Kyù hieäu caùc doøng loái vaøo maïch coäng aùp laø I2, I3 vaø I4 , ta coù ñieän aùp loái ra cuûa maïch coäng laø: ⎛ V V V ⎞ ⎜ 2 i F ⎟ Vo = −R5 (I 2 + I 3 + I 4 ) = −R5 ⎜ + + ⎟; (3-9) ⎝ R2 R3 R4 ⎠ Neáu R2 = R3 = R4 = R5, thì Vo = – (V2 + Vi + VF) (3-10) Giaû söû ñieän aùp vaøo Vi = 0, chieát aùp R1 ôû giöõa ñeå cho V2 = 0. Neáu ñaàu giöõ buùt ôû ñieåm giöõa chieát aùp daây tröôït thæ ta coù VF = 0. Nhö vaäy theo (3-4) ta coù Vo = 0, moâ tô ñöùng yeân vaø buùt ôû vò trí chính giöõa chieát aùp. Neáu buùt bò leäch ra khoûi vò trí caân baèng thì giaù trò cuûa VF seõ khaùc 0, ñieàu ñoù daãn tôùi theá loái ra maïch coäng Vo seõ khaùc khoâng laøm cho moâ tô trôï ñoäng seõ quay theo chieàu caàn thieát ñeå sao cho VF trôû veà khoâng. Khi VF = 0 moâ tô seõ ñöùng yeân. Baây giôø giaû söû buùt veõ naèm yeân ôû taâm cuûa bieåu ñoà, VF = Vi = 0. Ñieàu chænh bieán trôû R1 ñeå sao cho V2 = +E/2, theá loái ra maïch coäng baây giôø laø Vo = –E/2 seõ kích Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 105 - hoaït moâ tô quay theo chieàu sao cho buùt ñöa con tröôït bieán trôû veà phía –E. Khi theá VF=–E/2 thì ñieän aùp loái ra boä coäng laïi baèng khoâng, moâ tô ngöøng quay vaø buùt ghi naèm ôû moät vò trí xaùc ñònh. Hình 3-21. Maùy ghi bieåu ñoà duøng nguyeân taéc bieán trôû töï caân baèng Nhö vaäy, khi VF = –V2, thì khoâng coù tín hieäu ra cuûa boä khueách ñaïi ñeå daãn ñoäng ñoäng cô trôï ñoäng, buùt ñöùng yeân. Baây giôø, neáu chænh R1 sao cho V2 = –E/2 hoaëc V2 = –E, thì buùt seõ bò keùo veà caùc ñieåm öùng vôùi VF = +E/2 hoaëc +E töông öùng. Bieán trôû R1 ñoùng vai troø bieán trôû ñieàu chænh vò trí ban ñaàu cuûa buùt veõ treân baêng giaáy. Baây giôø xeùt tín hieäu vaøo Vi, thoâng qua taàng khueách ñaïi/suy giaûm ñeå ñöa vaøo maïch coäng. Giaû söû Vi > 0, theá loái ra boä khueách ñaïi laø –Vi seõ ñieàu khieån moâ tô quay sao cho buùt dòch chuyeån veà phía –E. Khi VF = –Vi thì moâ tô ngöøng quay vaø buùt seõ döøng. Neáu theá loái vaøo Vi laø moät ñaïi löôïng bieán thieân chaäm thì buùt seõ di chuyeån lieân tuïc sao cho VF = –Vi, keát quaû seõ veõ neân daïng soùng bieán thieân cuûa Vi treân baêng giaáy. Öu ñieåm cuûa duïng cuï laø ñoä chính xaùc cao hôn nhieàu so vôùi kieåu ñieän keá. Theo lyù thuyeát thì coù theå ñaït ±0,2% so vôùi kieåu ñieän keá laø ±2%. Nhöôïc ñieåm laø ñaùp tuyeán taàn soá raát thaáp, thöôøng chæ aùp duïng cho caùc tín hieäu bieán ñoåi raát chaäm döôùi 10Hz. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 106 - 8.3. Maùyï ghi bieåu ñoà treân baêng duøng ñieän cöïc raén Phöông phaùp ghi bieåu ñoà treân baêng duøng ñieän cöïc raén ñöôïc minh hoïa treân hình 3-22. Ñaàu ghi laø moät taäp hôïp goàm nhieàu ñieän cöïc (côõ vaøi traêm) ñöôïc gheùp noái tieáp nhau treân moät thanh ngang coá ñònh. Caùc ñieän cöïc ñöôïc ñieàu khieån baèng maïch ñieän töû vaø thöïc hieän vieäc ghi tín hieäu baèng caùch phoùng ñieän leân beà maët baêng giaáy chuyeân duïng dòch chuyeån beân döôùi. Duïng cuï coù ñaùp tuyeán taàn soá raát toát vì ñaàu ghi laø ñöùng yeân, maùy coù theå ghi caùc tín hieäu tôùi 1kHz. Nguyeân taéc ñieàu khieån caùc ñieän cöïc ghi ñöôïc minh hoïa treân hình 3-23. Tín hieäu loái vaøo ñöôïc löôïng töû hoùa thaønh töøng möùc giaùn ñoaïn nhôø moät heä thoáng caùc boä so saùnh lieân tieáp maéc song song vôùi nhau. Ñaàu ra cuûa moãi boä so saùnh ñieàu khieån tröïc tieáp moät ñieän cöïc ghi. Caùc möùc theá so saùnh ñöôïc thöïc hieän baèng moät caàu ñieän trôû chia Hình 3-22 aùp giöõa caùc boä nguoàn ±E. Daïng soùng tín hieäu ghi treân baêng seõ coù daïng moät ñöôøng ñöùt neùt. Khi soá ñieän cöïc ghi lôùn thì daïng soùng ghi gaàn nhö laø lieân tuïc. +E Taàng so aùp Maïch kích ñieän cöïc ghi + Caùc ñieän cöïc SS4 ghi V4 - U4 + SS3 V3 - U3 Tín hieäu vaøo + SS2 V2 - U2 + SS1 V1 - U1 -E CONTROL Hình 3-23. Quaù trình löôïng töû hoùa tín hieäu vaøo vaø ñieàu khieån caùc ñieän cöïc ghi Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 107 - Phöông phaùp ghi duøng ñieän cöïc raén coù nhöôïc ñieåm laø maïch ñieàu khieån phöùc taïp vì phaûi duøng moät soá löôïng lôùn caùc maïch so saùnh vaø caùc ñieän cöïc ghi. Tuy nhieân vieäc söû duïng caùc maïch tích hôïp cho pheùp ñôn giaûn hoùa vaán ñeà ñaët ra. 8.4. Maùyï ghi theo toïa ñoä xy Nguyeân taéc hoaït ñoäng cuûa maùy ghi theo toïa ñoä xy laø söû duïng buùt veõ dòch chuyeån ñoàng thôøi theo caû 2 chieàu x vaø y ñeå veõ bieåu ñoà treân moät tôø giaáy ñaët coá ñònh. Cô caáu ghi töông töï nhö ñoái vôùi maùy ghi bieåu ñoà theo nguyeân taéc bieán trôû töï caân baèng (hình 3-24). ÔÛ ñaây buùt veõ ñöôïc gaén treân moät giaù mang vaø söï dòch chuyeån cuûa buùt theo chieàu doïc treân giaù (truïc y) ñöôïc ñieàu khieån baèng moâ tô M1. Toaøn boä giaù mang buùt coù theå dòch chuyeån theo chieàu ngang (truïc x) nhôø moâ tô M2 thoâng qua heä thoáng daây keùo vaø 4 puli trôï ñoäng. M 2 M1 Hình 3-24. Cô caáu ghi theo toïa ñoä xy Caùc maïch bieán ñoåi tín hieäu vaøo keânh X vaø keânh Y ñeå ñieàu khieån caùc moâ tô trôï ñoäng M1 vaø M2 veà cô baûn gioáng nhö sô ñoà hình 3-21. Moãi maïch ñeàu coù boä phaän chænh möùc 0, boä khueách ñaïi coäng vaø moät maïch laëp aùp ñeå hoài tieáp ñieän aùp laáy töø con tröôït cuûa bieán trôû gaén vôùi ñaàu buùt ghi. Taàng khueách ñaïi loái vaøo vaø maïch choïn khoaûng ño chæ ra treân hình 3-25. Caùc chuyeån maïch S1 vaø S2 cho pheùp ñieàu chænh heä soá khueách ñaïi cuõng nhö thay ñoåi du xích treân baûn veõ sao cho ñieän aùp loái ra cuûa maïch laø 1V. Vôùi vò trí cuûa S1 vaø S2 nhö hình veõ 3-25 ta coù ñoä lôïi cuûa maïch khueách ñaïi laø: R2 + R3 + R4 900K + 90K +10K Ñoä lôïi A1(0,1V / cm) = = = 10 R3 + R4 90K +10K Nhö vaäy khi chuyeån maïch S2 ôû vò trí 0,1V/cm, thì vôùi moät tín hieäu vaøo 0,1V seõ ñöôïc khueách ñaïi leân thaønh 10 x 0,1V/cm = 1V; tín hieäu 1V naøy seõ ñöa tôùi boä khueách ñaïi coäng vaø seõ taïo ra ñoä leäch 1cm cuûa buùt ghi. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 108 - Khi chuyeån maïch S2 ôû vò trí 1V/cm, ñaàu ra cuûa A1 ñöôïc noái tröïc tieáp vôùi ñaàu vaøo ñaûo, maïch khueách ñaïi thuaät toaùn trôû thaønh maïch khueách ñaïi laëp laïi. Nhö vaäy maïch seõ taïo ñoä leäch 1cm cho tín hieäu vaøo laø 1V. Baäy giôø giaû söû khoùa S2 ôû vò trí 0,01V/cm, ñoä lôïi cuûa maïch seõ laø: R2 + R3 + R4 900K + 90K + 10K Ñoä lôïi A1(0,01V / cm) = = = 100 R4 10K Nhö vaäy, maïch seõ taïo ñoä leäch 1cm ñoái vôùi moãi tín hieäu vaøo 0,01V. + Ñeán KÑ coäng Vi A1 - R1 R2 1V/cm S2 900K Khoaûng ño 0,1V/cm S1 0.01V/cm R3 90K Du xích R4 10K R5 50K R6 5K Hình 3-25. Boä khueách ñaïi ñaàu vaøo cho maùy ghi theo toïa ñoä xy Khi khoùa chuyeån maïch S1 dòch chuyeån töø vò trí “KHOAÛNG ÑO” sang vò trí “DU XÍCH”, caùc ñieän trôû R2, R3 vaø R4 ngaét khoûi ñaàu vaøo ñaûo cuûa A1. Luùc naøy bieán trôû R5 cuøng vôùi R6 cho pheùp ñieàu chænh ñoä lôïi cuûa maïch khueách ñaïi töø giaù trò toái thieåu ñeán giaù trò toái ña: R + R 50K + 5K Ñoä lôïi du xích = 5 6 = = 11 R6 5K § 9. KYÕ THUAÄT ÑO LÖÔØNG BAÈNG DAO ÑOÄNG KYÙ Dao ñoäng kyù ñieän töû khoâng chæ laø thieát bò ñeå quan saùt daïng cuûa tín hieäu nghieân cöùu, maø coøn duøng ñeå ño löôøng caùc thoâng soá ñaëc tính cuûa tín hieäu. Ví duï, coù theå ño bieân ñoä, ño taàn soá, ño di pha, ño khoaûng thôøi gian, ño heä soá ñieàu cheá Caùc phöông phaùp ño duøng dao ñoäng kyù raát thoâng duïng, vì pheùp ño ñôn giaûn, thöïc hieän nhanh choùng vaø deã daøng, keát quaû ño khaù chính xaùc. Moät ñaëc ñieåm raát quan troïng cuûa pheùp ño laø tröïc quan, vöøa quan saùt ñöôïc daïng tín hieäu nghieân cöùu vöøa ño ñaïc ñöôïc caùc thoâng soá ñaëc tính cuûa tín hieäu. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 109 - 9.1. Ño bieân ñoä, taàn soá vaø pha cuûa ñieän aùp tín hieäu Bieân ñoä ñænh – ñænh cuûa moät daïng soùng ñaõ hieän hình coù theå ño ñöôïc deã daøng nhôø kích taác dao ñoäng ñoà treân maøn hình. Treân hình 3-26 minh hoïa 2 soùng sin vôùi bieân ñoä vaø chu kyø khaùc nhau treân cuøng moät maøn hình. Vò trí caùc nuùm ñieàu khieån thang ñoä vaø kích taác dao ñoäng ñoà VOLT/DIV cuõng nhö nuùm choïn thôøi gian TIME/DIV nhö chæ ra treân hình veõ. Hình 3-26. Ño bieân ñoä ñænh – ñænh vaø chu kyø cuûa soùng sin Ta thaáy soùng A coù bieân ñoä 4,6 vaïch chia, coøn soùng B töông öùng vôùi 2 vaïch chia. Nhö vaäy, theo vò trí cuûa thang ñoä treân nuùm ñieàu khieån VOLT/DIV laø 100 mV ta coù bieân ñoä ñænh – ñænh cuûa caùc ñieän aùp seõ laø: - Soùng A: VApp = 4,5 vaïch x 100 mV = 450 mV - Soùng B: VBpp = 2 vaïch x 100 mV = 200 mV. Chu kyø cuûa soùng sin ñöôïc xaùc ñònh baèng caùch ño soá vaïch ngang öùng vôùi moät chu kyø nhaân vôùi giaù trò cuûa moät oâ ñöôïc ñaët treân nuùm ñieàu khieån TIME/DIV. Theo soá lieäu treân hình 3-26 ta coù chu kyø vaø taàn soá cuûa caùc soùng laø: 8,8 vaïch × 0,5ms – Soùng A: T = = 2,2ms A 2 chu trình f A = 1 TA = 1 2,2ms ≈ 455Hz 8,8 vaïch × 0,5ms – Soùng B: T = = 0,73ms B 6 chu trình fB = 1 TB = 1 0,73ms = 1,36kHz Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 110 - Hieäu soá pha cuûa hai soùng hình sin ∆ϕ ñöôïc ño baèng phöông phaùp minh hoïa treân hình 3-27. Moãi soùng coù moät chu kyø öùng vôùi 8 vaïch ngang, vaø thôøi gian giöõa caùc thôøi ñieåm baét ñaàu moãi chu trình laø 1,4 vaïch. Ta coù 1 chu trình = 360o, nhö vaäy, giaù trò cuûa moãi vaïch chia laø: 1 vaïch chia = 360o/8 = 45o Hieäu soá pha cuûa 2 ñieän aùp seõ laø: ∆ϕ = 1,4 vaïch x 45o/vaïch = 63o. Hình 3-27. Ño hieäu soá pha giöõa 2 soùng sin 9.2. Ño caùc tham soá xung. Trong kyõ thuaät xung, vieäc xaùc ñònh caùc tham soá cuûa tín hieäu xung nhö : bieân ñoä xung Am, thôøi haïn (ñoä roäng) xung τ, söôøn tröôùc τ1, söôøn sau τ2 cuõng nhö vieäc quan saùt daïng xung ñaëc bieät tieän lôïi khi söû duïng dao ñoäng kyù ñieän töû. Giaû söû ta caàn bieát daïng tín hieäu loái vaøo vaø loái ra cuûa moät maïch ñieän töû naøo ñoù, ta coù theå cho hieän hình ñoàng thôøi 2 daïng soùng loái vaøo vaø loái ra treân maøn dao ñoäng kyù. Nhôø kích taác dao ñoäng ñoà vaø caùc toaï ñoä treân maøn hình ta deã daøng xaùc ñònh ñöôïc caùc tham soá caàn thieát. Treân hình 3-28 laø hai daïng soùng xung loái vaøo vaø loái ra cuûa moät maïng 4 cöïc naøo ñoù. Ta thaáy xung loái ra bò treã moät thôøi gian td so vôùi xung loái vaøo; ngoaøi ra söôøn xung bò tích phaân neân taïo ra maët taêng t1 (thôøi haïn söôøn tröôùc) vaø maët giaûm t2 (thôøi haïn söôøn sau). Giaû söû nuùm ñieàu khieån TIME/DIV ôû vò trí 1µs, nuùm VOLT/DIV ôû vò trí 1V thì caùc tham soá cuûa xung seõ laø. – Ñoái vôùi xung vaøo: - Ñoä roäng xung (ñænh xung) τ = 4,5 vaïch x 1µs = 4,5µs; - Ñoä roãng xung q = 3,5 vaïch x 1µs = 3,5µs; - Bieân ñoä xung: Am = 2 vaïch x 1V = 2V; - Chu kyø: T = 8vaïch x 1 µs = 8 µs; - Taàn soá: f = 1/T = 1/8 µs = 125 kHz. – Ñoái vôùi xung ra: - Thôøi gian treã: td = 1vaïch x 1µs = 1µs; - Maët taêng: t1 = 0,8 vaïch x 1µs = 0,8 µs; - Maët giaûm t2 = 0,9 vaïch x 1µs = 0,9 µs Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 111 - Hình 3-28. Ño caùc tham soá xung Keát quaû treân coøn cho bieát moät tham soá raát quan troïng goïi laø toác ñoä ñaùp öùng (slew rate) cuûa maïch, thöôøng duøng ñeå ñaëc tröng cho caùc boä khueách ñaïi thuaät toaùn. Toác ñoä ñaùp öùng cho bieát phaûn öùng cuûa maïch khi taùc duïng xung tôùi ñaàu vaøo, vaø ño baèng ñôn vò volt/µs. Theo hình 3-28, ta coù ñoä bieán hieân ñieän aùp ôû maët taêng cuûa xung laø ∆V = 2V, thôøi gian söôøn tröôùc laø t1 = 0,7µs, nhö vaäy toác ñoä ñaùp öùng seõ laø: ∆V 2V = ≈ 2,9V / µs t1 0,7µs Treân hình 3-29 laø 2 daïng soùng xung vuoâng goùc khi ñöa vaøo maùy hieän soùng cho thaáy raèng khi gheùp DC daïng soùng seõ ñöôïc taùi taïo trung thöïc, nhöng khi gheùp AC tuï gheùp coù theå gaây meùo daïng soùng nghieâm troïng ôû taàn thaáp. Thôøi haïn Thôøi gian treã td söôøn tröôùc t1 Thôøi haïn söôøn sau t2 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 112 - Hình 3-29. Söï meùo daïng cuûa soùng xung khi gheùp AC. Tích soá cuûa ñieän dung gheùp vaø ñieän trôû vaøo laø moät ñaïi löông goïi laø haèng soá thôøi gian vaøo cuûa maùy hieän soùng τi = RiCc Vôùi giaù trò Ri = 1MΩ, Cc = 0,1µF, ta coù τI = 1MΩ. 0,1µF = 0,1s . Theo soá lieäu treân hình 3-29 thì ñoä roäng xung laø 50ms, noù baèng moät nöûa thôøi haèng vaøo cuûa maùy hieän soùng. Khi ñoä roäng xung vaø khoaûng caùch giöõa caùc xung nhoû hôn nhieàu so vôùi thôøi haèng τI thì söï naïp cuûa tuï khoâng ñaùng keå, neân haàu nhö khoâng gaây meùo daïng. Ñeå traùnh söï meùo xung ôû taàn thaáp thì ñoä roäng xung thöôøng phaûi nhoû hôn 1/20 laàn thôøi haèng vaøo cuûa maùy hieän soùng. Treân hình 3-30 cho thaáy söï meùo daïng do cao taàn gaây ra. Tröôøng hôïp naøy khoâng phuï thuoäc vaøo gheùp DC hay AC maø laø do ñieän dung vaøo Ci cuûa maùy hieän soùng. Neáu RS laøø ñieän trôû cuûa nguoàn tín hieäu thì haèng soá thôøi gian cuûa maïch seõ laø τi=RSCi Treân hình veõ vôùi xung raát ngaén 0,2µs; RS = 1K; Ci = 30pF thì thôøi haèng cuûa maïch vaøo laø: τi = RSCi. = 0,03 µs; tuï Ci seõ naïp vaø gaây ra söï meùo daïng xung. Neáu xung coù ñoä roäng lôùn hôn nhieàu so vôùi CiRS thì söï meùo daïng laø khoâng ñaùng keå. Toùm laïi ñieàu kieän ñeå maïch vaøo khoâng laøm meùo daïng xung laø: 1 20R C ≤ Ñoä roäng xung τ ≤ R C (3-11) S i 20 i c Hình 3-30. AÛnh höôûng cuûa ñieän dung vaøo laøm meùo daïng xung ôû cao taàn 9.3. Phöông phaùp hình Lissajou. Neáu ngaét boä dao ñoäng taïo queùt cuûa maùy hieän soùng vaø ñöa caùc soùng hình sin ñoàng thôøi vaøo 2 keânh XX vaø YY thì treân maøn dao ñoäng kyù seõ xuaát hieän dao ñoäng ñoà Lissajou. Hình daïng cuûa dao ñoäng ñoà laø ñôn giaûn khi 2 ñieän aùp cuøng taàn soá, vaø hình seõ coù daïng raát phöùc taïp neáu 2 ñieän aùp khaùc taàn soá. Coù theå söû duïng hieäu öùng treân ñeå ño taàn soá cuûa caùc dao ñoäng hình sin. Treân hình 3-31 laø sô ñoà minh hoïa nguyeân taéc ño taàn soá baèng phöông phaùp hình Lissajou. Ñieän aùp hình sin taàn soá fy ñöa vaøo keânh leäch ñöùng YY, coøn ñieän aùp hình sin coù taàn soá fx ñöa vaøo keânh leäch ngang XX. Maùy hieän soùng hoaït ñoäng ôû cheá ñoä ngaét boä taïo queùt trong. Khi thöïc hieän ñoàng boä treân maøn hình seõ thu ñöôïc dao ñoäng ñoà Lissajou. Haõy caét dao ñoäng ñoà theo 2 truïc doïc vaø ngang nhö hình veõ sao cho soá veát caét laø lôùn nhaát. Ñeám soá veá caét theo truïc doïc (m) vaø truïc ngang (n). Tyû soá caùc veát caét aáy chính baèng tyû soá hai taàn soá: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 113 - f m Y = (3-12) f X n Chaúng haïn, soá lieäu nhö treân hình veõ ta coù fy/fx = 3/4. Neáu bieát tröôùc taàn soá fy ta coù theå deã daøng xaùc ñònh ñöôïc fx. Soùng sin Soùng sin taàn soá fY taàn soá fX Hình 3-31. Sô ñoà ño taàn soá baèng phöông phaùp hình Lissajou. Tuøy theo ñoä leäch pha giöõa 2 ñieän aùp maø hình daïng dao ñoäng ñoà Lissajou seõ khaùc nhau. Treân hình 3-32 laø daïng soùng öùng vôùi moät soá tröôøng hôïp ñaëc bieät. Goùc leäch pha ϕ Hình 3-32. Moät soá daïng dao ñoäng ñoà Lissajou Phöông phaùp dao ñoäng ñoà Lissajou ñeå ño taàn soá chæ thích hôïp khi tyû soá giöõa 2 taàn soá nhoû hôn 3 ñeán 4 laàn, khi lôùn hôn hình hieän ra raát phöùc taïp vaø khoù ñieàu chænh söï ñoàng boä. Trong caùc tröôøng hôïp naøy ngöôøi ta thöôøng söû duïng phöông phaùp queùt troøn vôùi söï ñieàu cheá ñoä choùi cuûa hình queùt. Sô ñoà nguyeân taéc cuûa phöông phaùp naøy chæ ra treân hình 3-33. Ñieän aùp chuaån duøng ñeå so saùnh coù taàn soá nhoû hôn f1 ñöôïc ñöa qua moät maïch xoay pha RC ñeå taïo ra 2 ñieän aùp cuøng taàn soá, nhöng leäch pha nhau 90o, ñöa ñoàng thôøi vaøo 2 loái vaøo XX vaø YY cuûa dao ñoäng kyù. Treân maøn hình seõ coù dao ñoäng ñoà hình troøn (hay elip). Thôøi gian ñeå tia ñieän töû queùt thaønh moät voøng troøn chính baèng chu kyø cuûa ñieän aùp maãu. Ñieän aùp caàn ño coù taàn soá lôùn hôn f2 ñuôïc ñöa tôùi cöïc ñieàu cheá M cuûa dao ñoäng kyù, noù seõ ñieàu cheá ñoä saùng cuûa hình. Neáu taàn soá chuaån baèng taàn Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 114 - soá ñieän aùp caàn ño thì dao ñoäng ñoà seõ laø moät voøng troøn nöûa saùng, nöûa toái. Neáu taàn soá caàn ño baèng moät boäi soá nguyeân laàn taàn soá chuaån thì dao ñoäng ñoà seõ laø moät voøng troøn ñöùt neùt xen keõ nhöõng vaïch saùng vaø vaïch toái. Ñeám soá vaïch saùng hoaëc vaïch toái ta bieát ñöôïc tyû soá giöõa 2 taàn soá : n = f2 /f1. Nguoàn Nguoàn tín hieäu tín hieäu f1 f2>f1 Hình 3-33. Ño taàn soá baèng phöông phaùp queùt voøng Khi thöïc hieän pheùp ño treân, ñieàu kieän quan troïng laø phaûi hieäu chænh ñeå tyû soá giöõa 2 taàn soá laø moät boäi soá nguyeân laàn cuûa nhau thì hình môùi oån ñònh, neáu ñieàu kieän treân khoâng thoûa maõn dao ñoäng ñoà seõ khoâng theå quan saùt ñöôïc. Neáu ñieän aùp caàn ño thaáp hôn taàn soá chuaån thì phaûi maéc ngöôïc vôùi tröôøng hôïp treân, nghóa laø ñöa ñieän aùp caàn ño f2 vaøo caùc keânh XY, coøn ñieän aùp chuaån f1 ñöa vaøo cöïc ñieàu cheá M. Ngoaøi caùc öùng duïng treân coù theå söû duïng dao ñoäng kyù ñieän töû trong caùc pheùp ño caùc thoâng soá cuûa dao ñoäng ñieàu cheá vaø phaân tích phoå tín hieäu. Duøng dao ñoäng kyù ñeå veõ ñaëc tuyeán taàn soá, ñaëc tuyeán voân – ampe cuûa caùc linh kieän baùn daãn, hay cuûa moät maïng 4 cöïc noùi chung. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 115 - CHÖÔNG IV: MAÙY TAÏO SOÙNG ÑO LÖÔØNG § 1. KHAÙI NIEÄM CHUNG Maùy taïo soùng ño löôøng laø boä nguoàn taïo ra caùc tín hieäu chuaån veà bieân ñoä, taàn soá vaø daïng soùng duøng trong thöû nghieäm vaø ño löôøng. Caùc maùy taïo soùng trong phoøng thí nghieäm coù caùc daïng sau: – Maùy taïo soùng sin taàn thaáp LF (low frequency); – Maùy taïo soùng sin taàn soá voâ tuyeán RF (radio frequency); – Maùy taïo haøm; – Maùy phaùt xung; – Maùy phaùt taàn soá queùt, maùy phaùt caùc tín hieäu thöû nghieäm. Caùc maùy taïo tín hieäu RF thöôøng coù daûi taàn soá töø 0 ÷ 100kHz, vôùi möùc ñieän aùp coù theå ñieàu chænh töø 0 ÷ 10V. Caùc maùy taïo haøm cuõng thöôøng laø maùy phaùt RF vôùi 3 daïng soùng ñaëc tröng laø soùng vuoâng, soùng tam giaùc vaø soùng hình sin. § 2. MAÙY TAÏO SOÙNG SIN TAÀN THAÁP LF Maùy taïo dao ñoäng hình sin thöïc hieän vieäc bieán ñoåi naêng löôïng nguoàn doøng ñieän moät chieàu thaønh doøng xoay chieàu coù taàn soá theo yeâu caàu. Caáu taïo cuûa maùy thöïc hieän treân cô sôû boä khueách ñaïi coù hoài tieáp döông ñaûm baûo cheá ñoä töï kích oån ñònh ôû taàn soá yeâu caàu. Coù nhieàu kieåu taïo dao ñoäng soùng sin: dao ñoäng 3 ñieåm ñieän caûm (sô ñoà Colpits), dao ñoäng 3 ñieåm ñieän dung (sô ñoà Hartley), dao ñoäng caàu Wien. Dao ñoäng caàu Wien laø maïch ñöôïc söû duïng nhieàu nhaát vì cho daïng soùng loái ra coù daïng sin toát nhaát vôùi bieân ñoä vaø taàn soá oån ñònh. Caàu Wien laø moät caàu AC, trong ñoù söï caân baèng cuûa caàu ñaït ñöôïc ôû moät taàn soá nguoàn rieâng phuï thuoäc vaøo caùc thaønh phaàn cuûa caàu. Sô ñoà nguyeân lyù cuûa moät maïch dao ñoäng caàu Wien chæ ra treân hình 4-1. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 116 - Hình 4-1. Maïch dao ñoäng caàu Wien Maïch khueách ñaïi thuaät toaùn vaø caùc ñieän trôû R3 , R4 taïo thaønh maïch khueách ñaïi khoâng ñaûo. R1, R2, C1 vaø C2 taïo thaønh maïch hoài tieáp. Caàu ñaït caân baèng khi thoûa maõn ñieàu kieän: R R C 3 = 1 + 1 (4-1) R4 R2 C2 1 vaø f = (4-2) 2π R1C1R2C2 Thöôøng choïn R1 = R2 =R; C1 =C2 = C , khi ñoù ta coù: R3 = 2R4 ; (4-3) Vaøø: f = 1/2π RC (4-4) ÔÛ taàn soá caân baèng cuûa caàu, ñieän aùp phaùt trieån treân R2C2 (aùp vaøo boä khueách ñaïi) cuøng pha vôùi ñieän aùp ra. Ñoä lôïi cuûa maïch khueách ñaïi laø: AV = (R3 + R4 ) R4 = 3 (4-5) Bieân ñoä ra cuûa tín hieäu coù xu höôùng tieán tôùi ± VCC vaø ± VE , ñieàu naøy gaây meùo daïng soùng ra. Ñeå khaéc phuïc, ngöôøi ta chia R3 ra laøm 2 ñieän trôû R5 + R6 vaø duøng theâm 2 diode maéc song song ngöôïc chieàu nhau (hình 4-2,a). C5 C1 C3 + S1 R1 R6 R5 D1 D2 C6 C2 C4 R4 S2 R2 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý a) b)
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 117 - Hình 4-2. Maïch oån ñònh bieân ñoä (a) vaø maïch ñeå ñieàu chænh taàn soá (b) Khi bieân ñoä ñieän aùp ra nhoû, suït aùp treân R6 khoâng ñuû ñeå thieân aùp thuaän cho caùc diode. Luùc naøy ñoä lôïi maïch khueách ñaïi laø: R4 + R5 + R6 AV = (4-6) R4 Khi bieân ñoä ñieän aùp ra ñuû lôùn ñeå ñònh thieân thuaän cho caùc diode, thì R6 ngaén maïch vaø ñoä lôïi cuûa maïch seõ giaûm: R4 + R5 AV = (4-7) R4 Giaù trò cuûa heä soá khueách ñaïi AV > IB Giaû söû IB = 100 µA. Khi ñoù R3 = 0,1V / 100µA = 1kΩ (chieát aùp) Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 118 - vaø (R1 + R2) = 4,9 V / 100µA = 49kΩ. – Vôùi R2 ngaét khoûi maïch (S1 ñoùng): VR3 = 1V, Vaø: I3 = VR3/R3 = 1V / 1kΩ = 1mA; VR1 = 5V – 1V = 4V; R1 = 4V / 1mA = 4kΩ; R2 = 49kΩ – 4kΩ = 45kΩ § 3. MAÙY TAÏO HAØM Maùy taïo haøm laø nguoàn tín hieäu vuoâng, tam giaùc vaø soùng sin coù daûi taàn ñieàu chænh ñöôïc deã daøng vaø coù maïch dòch möùc DC. Sô ñoà khoái cuûa maùy taïo haøm chæ ra treân hình 4-4. Maïch Schmitt tích phaân trigger Maïch suy giaûm Taïo haøm sin Hình 4-4. Sô ñoà khoái cuûa maùy taïo haøm Tín hieäu loái ra maïch tích phaân coù daïng xung tam giaùc, coøn loái ra maïch Schmitt trigger laø daïng xung vuoâng. Lieân keát phaûn hoài giöõa loái ra vaø loái vaøo giöõa 2 maïch tích phaân vaø maïch Schmitt trigger taïo neân moät heä töï dao ñoäng. Tín hieäu daïng sin nhaän ñöôïc nhôø maïch taïo haøm sin töø xung tam giaùc. 3.1. Taàng dao ñoäng chuû. Taàng dao ñoäng chuû thöïc hieän treân cô sôû lieân keát maïch tích phaân vaø trigger Schmitt nhö hình veõ 4-5. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 119 - A2 Vn2 A1 Vn1 Hình 4-5. Taàng dao ñoäng chuû cuûa maùy phaùt haøm Maïch trigger Schmitt coù 2 ngöôõng laø: R3 Vn1,2 = m V3sat ⋅ (4-8) R4 Giaû söû loái ra cuûa trigger Schmitt ñang ôû möùc baõo hoøa döông +V3sat, luùc naøy mgöôõng vaøo cuûa trigger Schmitt laø: R3 Vn2 = + V3sat ⋅ (4-9) R4 Theá baõo hoøa döông +V3sat hoài tieáp veà loái vaøo maïch tích phaân A1. Luùc naøy theá loái vaøo maïch tích phaân seõ laø: R11 V1 = + V3sat ⋅ > 0 (4-10) R1 Vôùi R11 laø ñieän trôû phaàn döôùi cuûa bieán trôû R1. Theá loái ra maïch tích phaân seõ ñi xuoáng theo quy luaät: 1 V t 1 (4-11) V2 = − ∫V1dt = − R2C1 R 2C1 R3 Khi theá loái ra maïch tích phaân ñaït möùc ngöôõng Vn1 = − V3sat ⋅ maïch trigger R4 Schmitt seõ laät traïng thaùi loái ra xuoáng möùc baõo hoøa aâm –V3sat, Theá baõo hoøa aâm naøy hoài tieáp trôû veà loái vaøo maïch tích phaân , baây giôø theá loái vaøo maïch tích phaân seõ laø: ' R11 V1 = − V3sat ⋅ < 0 (4-12) R1 Luùc naøy theá ra maïch tích phaân doác leân theo quy luaät: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 120 - ' 1 V t V ' = − V ' dt = + 1 (4-13) 2 ∫ 1 R2C1 R 2C1 R3 Khi V2’ ñaït möùc ngöôõng Vn2 = + V3sat ⋅ , trigger laät traïng thaùi loái ra leân R4 baõo hoøa döông, vaø traïng thaùi maïch laïi trôû veà nhö ban ñaàu. Cöù nhö theá maïch töï duy trì dao ñoäng. Loái ra maïch trigger ta thu ñöôïc chuoãi xung vuoâng caân xöùng V3. Loái ra maïch tích phaân ta thu ñuôïc chuoãi xung tam giaùc V2. Taàn soá cuûa soùng loái ra ñöôïc xaùc ñònh bôûi thôøi gian tuï C1 naïp töø Vn1 tôùi Vn2 vaø ngöôïc laïi. Ta coù phöông trình ñeå tuï C1 naïp tuyeán tính laø: I t ∆V C = , t = C (4-14) 1 ∆V 1 I ∆V = Vn2 – Vn1 = 2Vn (4-15) Taàn soá dao ñoäng: 1 I V f = = = 1 (4-16) 2t 2C1∆V 2C1R2 ∆V Neáu thay ∆V = 2Vn vaø chuù yù raèng Vn tính theo bieåu thöùc (4-8) ta seõ coù bieåu thöùc tính taàn soá dao ñoäng cöïc ñaïi cuûa maïch seõ laø: 1 R f = ⋅ 4 (4-17) 4R2C1 R3 Ví du : Cho maïch dao ñoäng chuû nhö hình 4-5, trong ñoù C1 = 0,1 µF; R1 = 1K; R2 = 10K; Ñieän aùp ngöôõng cuûa trigger Schmitt laø Vn = ± 3V. Haõy tính taàn soá cuûa soùng ra khi tieáp ñieåm ñoäng cuûa R1 ôû ñænh cuûa chieát aùp vaø khi noù ôû 10% cuûa R1 keå töø ñaùy. Cho ñieän aùp nguoàn nuoâi laø VCC = ±15V. Ta coù, V3 = ± (VCC – 1) = ± (15V – 1) = ± 14V; – Khi con tröôït ôû ñænh chieát aùp R1: V1 = V3 = 14V, I2 = V1 / R2 = 14V / 10K = 1,4 mA; ∆V = Vn2 – Vn1 = 3V – (-3V) = 6 V; t = C1 ∆V / I2 = (0,1 µF x 6V) / 1,4 mA ≈ 0,43 ms; f = 1/ 2t = 1 / (2 x0,43ms) ≈ 1,17kHz. – Khi con tröôït ôû 10% cuûa R1 . V1 = 10% cuûa V3 = 10.14/100 = 1,4V; I2 = 1,4V / 10K = 0,14mA; t = (0,1 µA x 6V) / 0,14mA ≈ 4,3 ms; f = 1/ 2t = 1/ (2x4,3ms) ≈ 117Hz. 3.2. Boä taïo haøm sin. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 121 - Ñeå nhaän ñöôïc soùng sin töø soùng tam giaùc ngöôøi ta duøng boä taïo haøm sin. Coù 2 phöông phaùp chính laø phöông phaùp xaáp xæ töøng ñoaïn tuyeán tính nhôø ma traän ñieän trôû- diode (hình 4-6) vaø phöông phaùp xaáp xæ töøng ñoaïn khoâng tuyeán tính. Hình 4-6. Bieán ñoåi soùng tam giaùc sang soùng sin Hoaït ñoäng cuûa maïch taïo haøm nhôø phöông phaùp xaáp xæ töøng ñoaïn khoâng tuyeán tính treân hình 4-6 nhö sau: Neáu khoâng coù maët caùc diode D1, D2 vaø caùc ñieän trôû R3, R4 thì R1 vaø R2 laø moät boä chia aùp bình thöôøng. Luùc naøy tín hieäu ra laø moät bieán theå ñaõ suy giaûm cuûa soùng tam giaùc loái vaøo: R2 Vo = Vi (4-18) R1 + R2 Khi coù maët D1, D2, R2, R4 trong maïch thì hoaït ñoäng cuûa R1 vaø R2 vaãn gioáng nhö moät boä phaân aùp ñôn giaûn cho tôùi khi ñieän aùp haï treân ñieän trôû R2 vöôït quaù giaù trò ngöôõng +V1. Luùc naøy D1 ñöôïc thieân aùp thuaän neân daãn doøng vaø ñieän trôû R3 seõ ñöôïc maéc song song vôùi R2. Theá loái ra baây giôø seõ laø: R2 // R3 Vo ≈ Vi (4-19) R1 + R2 // R2 Trò soá cuûa ñieän aùp ra bò suy giaûm (keùm doác hôn). Khi ñieän aùp vaøo treân R2 giaûm xuoáng döôùi möùc +V1 , diode D1 bò khoùa, maïch laïi hoaït ñoäng bình thöôøng nhö moät boä chia aùp ñôn giaûn. Töông töï, trong nöûa chu kyø aâm cuûa ñieän aùp vaøo Vi, khi suït aùp VR2 giaûm xuoáng döôùi möùc –V1, diode D2 daãn, laøm R4 // R2 vaø theá loái ra seõ laø: R2 // R4 Vo ≈ Vi (4-20) R1 + R2 // R4 Vôùi R3 = R4 thì daïng soùng nöûa chu kyø aâm coù daïng töông töï nöûa döông. Khi duøng soá maét diode nhieàu hôn vôùi caùc möùc ngöôõng khaùc nhau ta coù theå taïo ñöôïc soùng ra coù daïng gaàn ñuùng daïng sin. Treân hình 4-7 laø maïch taïo haøm sin vôùi ma Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 122 - traän 6 diode - 6 ñieän trôû, vôùi 3 möùc ngöôõng döông vaø 3 möùc ngöôõng aâm. Ta thaáy ñoä doác cuûa soùng ra thay ñoåi 3 laàn trong ¼ chu kyø. Soùng ra coù daïng gaàn sin. Hình 4-7. Boä taïo haøm sin treân 6 diode Caùch thöù 2 ñeå taïo haøm sin laø söû duïng phöông phaùp xaáp xæ hoùa hình sin baèng nhöõng ñoaïn khoâng tuyeán tính. Cô sôû cuûa phöông phaùp naøy laø chia hình sin ra laøm nhieàu ñoaïn vaø moãi ñoaïn thay baèng caùc haøm phi tuyeán. Ví duï, ñöôøng ñaëc tröng voân – ampe cuûa diode coù daïng ña thöùc baäc hai y = ax2 + bx + c (xaáp xæ töøng ñoaïn baèng haøm baäc 2), hoaëc duøng ñaëc tuyeán voân – ampe cuûa ñieän trôû baùn daãn (varistor) coù daïng ña n thöùc: n (xaáp xæ baèng caùc ñoaïn cong), hoaëc duøng transistor tröôøng FET coù y = ∑ a i x i i= 0 ñaëc tuyeán voân – ampe daïng y = asinx trong khoaûng 0÷π⁄2. So vôùi phöông phaùp xaáp xæ töøng ñoaïn tuyeán tính, phöông phaùp xaáp xæ töøng ñoaïn khoâng tuyeán tính coù ñoä chính xaùc cao hôn (ñoä meùo hình sin nhoû hôn), nhöng thöïc hieän phöùc taïp hôn. § 4. MAÙY PHAÙT XUNG Caùc maùy phaùt xung thöôøng bao goàm maïch taïo xung vuoâng goùc, boä dao ñoäng ña haøi ñôn oån (monostable) vaø taàng loái ra vôùi boä suy giaûm vaø dòch möùc DC. 4.1. Ña haøi phieám ñònh. Maïch taïo xung vuoâng voùc treân ña haøi phieám ñònh (astable) coù sô ñoà nguyeân lyù nhö treân hình 4-8. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 123 - A Vn2 Vn1 Hình 4-8. Maïch taïo xung vuoâng treân ña haøi phieám ñònh Maïch khueách ñaïi thuaät toaùn A vaø caùc ñieän trôû R2, R3 taùc ñoäng nhö moät trigger Schmitt ñaûo, coù caùc ngöôõng baèng suït aùp treân R3 khi loái ra cuûa khueách ñaïi thuaät toaùn ôû möùc baõo hoøa: R3 Vn1,2 = mV0 (4-21) R2 + R3 Hoaït ñoäng cuûa maïch nhö sau: Khi theá loái ra cuûa trigger ôû möùc baõo hoøa döông, doøng qua R1 naïp cho tuï C1. Theá treân tuï C1 taêng theo quy luaät: t ⎛ − ⎞ V = V ⎜1 − e RC1 ⎟ (4-22) C1 0 ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Khi VC1 ñaït möùc ngöôõng treân Vn2 trigger chuyeån traïng thaùi loái ra xuoáng baõo hoøa aâm. Tuï C1 xaû ñieän qua R1 theo chieàu ngöôïc laïi, ñoàng thôøi theá baõo hoøa aâm hoài tieáp trôû veà loái vaøo (+) ñaët möùc ngöôõng döôùi Vn1 cho trigger. Khi theá treân tuï giaûm xuoáng baèng möùc ngöôõng döôùi Vn1 trigger laät traïng thaùi ñöa loái ra töø baõo hoøa aâm leân möùc baõo hoøa döông. Cöù nhö theá maïch duy trì dao ñoäng, vaø loái ra cuûa khueách ñaïi thuaät toaùn ta thu ñöôïc daïng xung vuoâng goùc, vôùi chu kyø laëp laïi: V − V T = 2RC ln C 0 (4-23) V − VC∞ Trong ñoù: V – ñieän aùp naïp; VC0 – ñieän aùp ban ñaàu treân tuï VC∞ – ñieän aùp cuoái cuøng treân tuï ôû thôøi ñieåm t. Ví duï: Maïch dao ñoäng ña haøi treân hình 4-8 coù: R1 = 20K; R2 = 6,2K; R3 = 5,6K; C1 = 0,2µF. Ñieän aùp nguoàn nuoâi laø VCC = ±12V. Tính taàn soá cuûa xung vuoâng loái ra. Ta coù: Vo = ± (VCC –1) = ±(12V – 1) = ± 11V; Caùc ngöôõng cuûa trigger Schmitt laø: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 124 - R3 5,6K Vn1,2 = mV0 = m11V = 5,22V R2 + R3 6,2K + 5,6K VC0 = – 5,22 V; VC∞ = +5,22 V; V = 11 V; Töø ñoù: 1 V - V 1 11V − 5,22V f = ln C0 = ln = 121Hz 2RC1 V - VC∞ 2 × 20K ⋅ 0,1µF 11V − (−5,22V) 4.2. Ña haøi ñôn oån. Maïch ña haøi ñôn oån hay coøn goïi laø maïch ñôn haøi duøng ñeå taïo soùng xung vuoâng goùc coù sô ñoà nguyeân lyù nhö hình 4-9. Boä khueách ñaïi thuaät toaùn coù ñaàu vaøo ñaûo (-) ñöôïc thieân aùp döông VB (~ 1V), coøn ñaàu vaøo khoâng ñaûo (+) ñöôïc tieáp ñaát thoâng qua ñieän trôû R2. Nhö vaäy, vôùi ñieàu kieän DC ban ñaàu cuûa maïch, loái ra cuûa khueách ñaïi thuaät toaùn seõ ôû möùc baõo hoøa aâm: Vo = –Vsat = – (VCC – 1V) Tuï C2 ñöôïc naïp tôùi möùc ñieän aùp Vo = – (VCC – 1V) vaø duy trì traïng thaùi naøy cho tôùi khi coù tín hieäu kích thích loái vaøo. Khi coù xung döông kích vaøo loái vaøo, qua maïch C1R1 tín hieäu bò vi phaân. D1 xeùn phaàn ngoïn xung döông. Phaàn xung aâm ñöa vaøo loái vaøo ñaûo laøm loái ra cuûa khueách ñaïi thuaät toaùn ñoåi traïng thaùi töø baõo hoøa aâm leân möùc baõo hoøa döông +Vsat. Luùc naøy ñieän aùp ñaàu vaøo khoâng ñaûo trôû thaønh: Vi (+) = (VCC – 1V) – [–(VCC – 1V)] = 2 (VCC – 1V). Tuï C2 phoùng ñieän qua R2 vaø naïp vôùi cöïc tính ngöôïc laïi. Khi C2 naïp, theá ñaàu vaøo khoâng ñaûo giaûm veà phía möùc ñaát. Ngay khi theá giaûm xuoáng döôùi möùc +VB ñaàu ra khueách ñaïi thuaät toaùn chuyeån töø baõo hoøa döông +Vsat xuoáng baõo hoøa aâm –Vsat. Loái ra ta coù moät xung vuoâng vôùi thôøi haïn phuï thuoäc vaøo R2 vaø C2: V − VC 0 t = R2C2 ln (4-24) V − VC∞ ÔÛ ñaây: V – ñieän aùp naïp cho tuï, noù baèng VCC –1V VC∞ – ñieän aùp cuoái cuøng treân tuï khi ñieän aùp ñaàu vaøo khoâng ñaûo cuûa khueách ñaïi thuaät toaùn laø +VB; VC∞ = Vsat – VB = (VCC – 1V) – VB. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 125 - 2(VCC –1V) Hình 4-9. Ñôn haøi taïo xung vuoâng Ví duï: Maïch dao ñoäng ñôn haøi treân hình 4-9 coù ñieän aùp nguoàn VCC = ± 10V; VB = 1V; R1 = 22K; R2 = 10K; C1 = 100pF; C2 = 0,01µF;. 1) Haõy tính ñoä roäng xung loái ra. 2) Xaùc ñònh C2 ñeå cho xung ra coù ñoä roäng 6ms 1) Ta coù: V = +( VCC – 1V) = +(10V – 1V) = 9V; VC0 = –(VCC –1V) = –9V; VC∞ = Vsat – VB = (10V – 1V) – 1V = 8V; V − VC 0 9V − (−9V) Vaäy: t = R2C2 ln = 0,01µF ×10K × ln = 289µs. V − VC∞ 9V − 8V t = 289 µs 2) Vôùi t = 6ms giaù trò cuûa tuï C2 seõ laø: t 6ms C2 = = = 0,2µF V − VC0 9V − (−9V) R2 ln 10K × ln V − VC∞ 9V − 8V Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 126 - 4.3. Boä suy giaûm vaø dòch möùc DC loái ra. Ñeå ñieàu chænh bieân ñoä xung vaø dòch möùc DC, tín hieäu loái ra cuûa maùy phaùt xung ñöôïc ñöa qua boä suy giaûm vaø dòch möùc DC coù sô ñoà nhö hình 4-10. Hình 4-10. Boä suy giaûm vaø dòch möùc DC Caùc boä khueách ñaïi thuaät toaùn A1 vaø A2 maéc kieåu laëp aùp cho pheùp taïo trôû khaùng ra cuûa maùy phaùt nhoû. Möùc DC cuûa ñieän aùp loái ra ñöôïc ñieàu khieån nhôø chieát aùp R5 vaø 2 ñieän trôû R4, R6 noái phaân cöïc giöõa 2 nguoàn ±VCC. Khi tieáp ñieåm ñoäng cuûa chieát aùp R5 ôû möùc theá ñaát, loái ra A2 cuõng ôû möùc theá ñaát, khieán xung loái ra töø A1 ñoái xöùng qua möùc ñaát. Khi tieáp ñieåm ñoäng cuûa R5 ôû möùc –5V, xung ra seõ ñoái xöùng qua möùc –5V, vaø khi tieáp ñieåm ñoäng cuûa R5 ôû möùc +5V, xung ra seõ ñoái xöùng qua möùc +5V. Nhö vaäy, baèng caùch ñieàu chænh chieát aùp R5 ta coù theå dòch chuyeån ñöôïc möùc DC cuûa xung loái ra deã daøng. Bieân ñoä cuûa xung loái ra ñöôïc ñieàu chænh lieân tuïc nhôû chieát aùp R3. Chuyeån maïch S1 cho pheùp thay ñoåi 2 khoaûng bieân ñoä. § 5. MAÙY TAÏO TÍN HIEÄU RF 5.1. Sô ñoà khoái cuûa maùy taïo tín hieäu RF. Maùy taïo tín hieäu taàn soá soùng voâ tuyeán RF (radio frequency) coù ñaàu ra soùng sin vôùi daûi taàn naèm trong khoaûng töø 100kHz ñeán 40GHz. Sô ñoà khoái cuûa maùy taïo soùng RF nhö chæ ra treân hình 4-11. Veà ñaïi theå, duïng cuï goàm coù: boä dao ñoäng RF, boä khueách ñaïi vaø boä suy giaûm ñaõ hieäu chænh vaø maùy ño möùc ñaàu ra. Boä dao ñoäng RF coù nuùm ñieàu chænh taàn soá lieân tuïc vaø coâng taéc daûi taàn soá ñeå ñieàu chænh tín hieäu ra tôùi taàn soá baát kyø mong muoán. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 127 - Hình 4-11. Maùy taïo soùng RF 5.2. Maïch dao ñoäng RF. Maïch dao ñoäng duøng trong maùy taïo soùng RF thöôøng duøng maïch dao ñoäng Colpits hoaëc dao ñoäng Hartlay. Sô ñoà nguyeân lyù cuûa hai maïch chæ ra treân hình 4-12. a) Maïch dao ñoäng Hartlay b) Maïch dao ñoäng Colpits Hình 4-12 Caû hai maïch ñeàu coù boä khueách ñaïi vaø maïch hoài tieáp. Boä khueách ñaïi vöøa khueách ñaïi tín hieäu vöøa ñaûo pha 180o. Tín hieäu ra ñaõ khueách ñaïi ñöôïc laøm suy giaûm vaø dòch pha tieáp 180o nöõa bôûi maïch hoài tieáp. Ñoä lôïi cuûa maïch khueách ñaïi baèng nghòch ñaûo cuûa ñoä suy giaûm qua maïch hoài tieáp. Moãi maïch coù ñoä taêng ích voøng laø 1 vaø ñoä dòch pha voøng laø 360o. Ñieåm khaùc bieät giöõa 2 maïch laø maïng dòch pha. Maïch dao ñoäng Hartlay söû duïng 2 cuoän caûm L1, L2 vaø 1 tuï ñieän C. Maïch dao ñoäng Colpits söû duïng 2 tuï ñieän C1 , C2 vaø 1 cuoän caûm L. Taàn soá dao ñoäng cuûa caû 2 maïch laø taàn soá coäng höôûng cuûa maïch dòch pha: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 128 - 1 f = (4-25) 2π CT LT Ñoái vôùi maïch Hartlay: CT = C; LT = Toång ñieän caûm cuûa L1 vaø L2. Ñoái vôùi maïch Colpits: LT = L; CT = Toång ñieän dung C1 vaø C2 maéc noái tieáp. Ñeå thay ñoåi taàn soá dao ñoäng cuûa maïch coù theå söû duïng chuyeån maïch ñeå thay ñoåi trò soá cuûa LT vaø CT. Ví duï, sô ñoà boá trí ñeå thay ñoåi taàn soá trong maïch dao ñoäng Hartlay nhö treân hình 4-13. Hình 4-13. Chuyeån maïch ñeå thay ñoåi taàn soá trong maïch dao ñoäng Hartlay 5.3. Maïch ñieàu bieán bieân ñoä vaø ñieàu bieán taàn soá. 5.3.1. Ñieàu bieán bieân ñoä. Caùc maùy taïo soùng RF thöôøng coù thieát bò ñeå ñieàu bieán bieân ñoä vaø taàn soá. Ñieàu bieán bieân ñoä ñöôïc thöïc hieän taïi taàng khueách ñaïi (hình 4-14). Hình 4-14. Maïch ñieàu bieán bieân ñoä Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 129 - Neáu khoâng coù transistor Q2 (FET), ñoä lôïi cuûa maïch laø: R3 AV = R4 Transistor Q2 gheùp vôùi R4 qua tuï C2 neân noù khoâng aûnh höôûng tôùi cheá ñoä thieân aùp cho Q1. Khi coù Q2 trong maïch, ñoä lôïi cuûa maïch khueách ñaïi seõ laø: AV = (R3 / R4 )// RD Trong ñoù RD laø ñieän trôû cöïc D cuûa FET. Tín hieäu taàn thaáp LF ñöa vaøo cöïc coång G cuûa FET laøm thay ñoåi ñieän trôû cöïc D cuûa Q2 vaø do ñoù laøm thay ñoåi ñoä taêng ích cuûa boä khueách ñaïi. Baèng caùch ñoù, bieân ñoä cuûa tín hieäu RF ñöôïc taêng leân hay giaûm ñi cuøng pha vôùi tín hieäu LF (xem daïng soùng treân hình 4-14). 5.3.2. Ñieàu bieán taàn soá. Vieäc ñieàu bieán taàn soá thöôøng ñöôïc thöïc hieän taïi taàng dao ñoäng cuûa maùy taïo tín hieäu RF. Sô ñoà maïch ñieàu taàn söû duïng varicap chæ ra treân hình 4-15. Hình 4-15. Nguyeân taéc ñieàu taàn baèng diode bieán dung Varicap Varicap laø moät loaïi diode ñaëc bieät laøm vieäc trong cheá ñoä ñònh thieân ngöôïc, coù giaù trò ñieän dung thay ñoåi theo giaù trò ñieän aùp ñaët vaøo neân ñöôïc goïi laø diode bieán dung VVC. Trong maïch C3 coù ñieän dung lôùn gheùp diode varicap vôùi maïch coäng höôûng LC4 cuûa boä dao ñoäng, do ñoù ñieän dung cuûa D1 xem nhö maéc song song vôùi L vaø C4. Ñieän dung cuûa maïch coäng höôûng laø ñieän dung cuûa diode CD maéc song song vôùi C4 . Taàn soá coäng höôûng seõ laø: 1 f = (4-26) 2π LCD // C4 Theo (4-26) ta thaáy, khi CD thay ñoåi, taàn soá f seõ thay ñoåi. Ñieän aùp treân collector cuûa Q1 bieán ñoåi theo quy luaät cuûa tín hieäu LF, do ñoù CD thay ñoåi theo quy luaät LF, nghóa laø taàn soá cuûa ñieän aùp ra bò ñieàu cheá theo LF. Tín hieäu ra ñaõ bò ñieàu bieán veà taàn soá. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 130 - 5.4. Taûi cuûa maùy taïo soùng. Maùy taïo soùng RF coù taûi danh ñònh loái ra laø 75Ω. Neáu taûi maéc coù trò soá ñuùng 75Ω thì tín hieäu loái ra töø boä suy giaûm chæ thò duùng (hình 4-16, a). Tröôøng hôïp taûi khaùc 75Ω phaûi maéc phoái hôïp song song (hình 4-16, b) hoaëc noái tieáp (hình 4-16, c) ñeå bieán ñoåi taûi veà trò soá 75Ω. Khi ñoù möùc tín hieäu ra seõ bò thay ñoåi, caàn phaûi tính laïi möùc tín hieäu thöïc ñöa vaøo taûi. ei = eo a) ei = eo b) Ri ei = eo × Ri + R2 c) Hình 4-16. Caùch maéc taûi trong caùc tröôøng hôïp : a) taûi ñuùng RL = Ro; b) khi RL > Ro vaø c) khi RL < Ro. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 131 - CHÖÔNG V : ÑO CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG KHOÂNG ÑIEÄN § 1. KHAÙI NIEÄM CHUNG Caùc ñaïi löôïng vaät lyù ñaëc tröng cho caùc hieän töôïng vaø caùc quaù trình cô, nhieät, quang, hoùa ñeàu laø nhöõng ñaïi löôïng khoâng ñieän. Pheùp ño caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän coù theå ñöôïc tieán haønh baèng nhöõng caùch thöùc khaùc nhau. Nhöng trong thöïc teá kyõ thuaät, phöông phaùp ño ñieän ñöôïc söû duïng phoå bieán nhaát do caùc ñaëc tính öu vieät cuûa noù. Pheùp ño caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän baèng phöông phaùp ñieän ñöôïc thöïc hieän thoâng qua caùc boä chuyeån ñoåi hoaëc caùc caûm bieán ño löôøng. Caùc boä chuyeån ñoåi ñoùng vai troø “nhaø phieân dòch” ñeå bieán ñoåi caùc tín hieäu khoâng ñieän thaønh tín hieäu ñieän, sau ñoù söû duïng caùc maïch ño ñieän ñeå tieán haønh xöû lyù pheùp ño tieáp theo. Sô ñoà nguyeân taéc cuûa pheùp ño caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän baèng phöông phaùp ñieän chæ ra treân hình 5-1. X (khoâng ñieän) X’ (ñieän) Ch. ñoåi Maïch Chæ thò ño löôøng ño ñieän vaø xöû lyù Hình 5-1. Ño caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän baèng phöông phaùp ñieän Baøi toaùn chuyeån ñoåi moät ñaïi löôïng khoâng ñieän sang ñaïi löôïng ñieän laø vaán ñeà then choát trong caáu hình cuûa heä thoáng ño khoâng ñieän. Baøi toaùn naøy heát söùc ña daïng, nhöng ñieàu lyù thuù laø choã duø ôû baát kyø daïng naøo cuõng coù theå giaûi ñöôïc, nghóa laø vôùi baát kyø moät ñaïi löôïng naøo nhö cô, quang, nhieät, hoùa, v.v ñeàu coù theå deã daøng bieán ñoåi chuùng thaønh ñaïi löôïng ñieän. Noùi chính xaùc hôn, coù theå deã daøng bieán ñoåi caùc ñaïi löôïng treân thaønh tín hieäu ñieän ñeå ñöa vaøo caùc cô caáu ño ñieän ñeå ño ñaïc vaø xöû lyù. Giaûi quyeát baøi toaùn treân chính laø nhieäm vuï cuûa caùc boä chuyeån ñoåi ño löôøng. Coù raát nhieàu nguyeân taéc ñeå thöïc hieän caùc boä chuyeån ñoåi, vaø töông öùng vôùi noù laø söï ña daïng cuûa caùc loaïi chuyeån ñoåi, nhö chuyeån ñoåi ñieän trôû, chuyeån ñoåi ñieän caûm, chuyeån ñoåi ñieän dung, chuyeån ñoåi aùp ñieän, chuyeån ñoåi nhieät ñieän, chuyeån ñoåi quang ñieän, v.v . Tuy nhieân, caên cöù vaøo baûn chaát cuûa caùc ñaïi löôïng chuyeån ñoåi coù theå quy veà maáy nhoùm cô baûn sau: – Caùc chuyeån ñoåi cô ñieän; – Caùc chuyeån ñoåi nhieät ñieän; – Caùc chuyeån ñoåi hoùa ñieän; – Caùc chuyeån ñoåi quang ñieän vaø phaùt xaï ñieän töû. Ñaëc tính quan troïng nhaát cuûa caùc boä chuyeån ñoåi chính laø haøm truyeàn ñaït cuûa noù. Haøm truyeàn ñaït theå hieän caáu truùc cuûa thieát bò bieán ñoåi vaø thoâng thöôøng coù ñaëc Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 132 - tính phi tuyeán, ñieàu ñoù laøm giôùi haïn khoaûng ño vaø daãn tôùi sai soá. Trong tröôøng hôïp ñaïi löôïng ño bieán thieân trong moät phaïm vi roäng, caàn chia nhoû khoaûng ño (phöông phaùp tuyeán tính hoùa töøng ñoaïn). Thoâng thöôøng khi thieát keá maïch ño ngöôøi ta thöïc hieän caùc maïch boå trôï ñeå hieäu chænh haøm truyeàn sao cho haøm truyeàn ñaït chung cuûa heä thoáng laø tuyeán tính. § 2. CHUYEÅN ÑOÅI CÔ ÑIEÄN 2.1. Chuyeån ñoåi ñieän trôû R. 2.1.1.Nguyeân taéc. Döôùi taùc duïng cuûa tín hieäu cô (söï dòch chuyeån, möùc, chaán ñoäng, v.v ) laøm thay ñoåi ñieän trôû cuûa nguyeân toá nhaïy caûm (caûm bieán), daãn tôùi laøm thay ñoåi doøng trong maïch theo quy luaät bieán ñoåi cuûa ñaïi löôïng cô. Khaûo saùt söï bieán thieân naøy thoâng qua maïch ño ta coù theå ñaùnh giaù ñöôïc giaù trò cuûa ñaïi löôïng cô caàn ño (hình 5-2). Tín hieäu cô XR= f (X) Caûm bieán Maïch ño R Hình 5-2. Nguyeântaéccuûachuyeånñoåi Chuyeån ñoåi ñieän trôû R coù theå thöïc hieän theo nhieàu caùch thöùc khaùc nhau: – Loaïi bieán trôû (chieát aùp): bieán trôû thaúng, bieán trôû goùc, bieán trôû heùlice. – Loaïi ñieän trôû bieán daïng (tenzoâ): ñieän trôû boät than neùn, ñieän trôû laù (kim loaïi hoaëc baùn daãn). 2.1.2.Caûm bieán loaïi bieán trôû. Ñaây laø loaïi caûm bieán coù nguyeân lyù caáu taïo ñôn giaûn, deã cheá taïo. Caáu truùc cuûa loaïi naøy coù theå laø loaïi bieán trôû thaúng, bieán trôû goùc hoaëc bieán trôû Heùlice (Hình 5-3). Vi ϕ Vi Vo Heùlice R Vo Vi ϕ Vo a) b) c) Hình 5-3. a) Bieán trôû thaúng; b) Bieán trôû goùc; c) Bieán trôû Heùlice Haøm truyeàn ñaït cuûa loaïi bieán trôû naøy ñöôïc xaùc ñònh theo heä thöùc: Rx = k lx = kox, hoaëc Rx = kϕx =kox (5-1) Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 133 - Trong ñoù: lx vaø ϕx – ñoä dòch chuyeån thaúng vaø ñoä dòch chuyeån goùc cuûa con tröôït bieán trôû; x – ñaïi löôïng cô caàn ño. Ñieän trôû cuûa bieán trôû ñöôïc caáu taïo baèng ñieän trôû loaïi daây quaán hoaëc daïng ñieän trôû maøng. Ñieän trôû daây quaán thöôøng laøm töø caùc vaät lieäu coù ñieän trôû suaát lôùn vaø heä soá nhieät ñieän trôû nhoû nhö mangan, constantan quaán treân ñeá caùch ñieän nhö bakelit, textolit. Loaïi ñieän trôû maøng ñöôïc taïo thaønh treân cô sôû than phun hoaëc oxyùt kim loaïi phuû treân ñeá plastic. Baèng caùch thay ñoåi böôùc quaán hoaëc tieát ñieän cuûa vaønh tröôït treân ñeá ta coù theå ñieàu chænh ñöôïc haøm truyeàn ñaït cuûa bieán trôû. Öùng duïng: Ño ñoä di chuyeån thaúng hoaëc ñoä di chuyeån goùc. Ño möùc chaát loûng trong bình chöùa, ño toác ñoä chaát löu trong oáng daãn (hình 5-4) 2.1.3. Caûm bieán ñieän trôû bieán daïng. Thöông duøng ñeå ño ñoä bieán daïng, ño aùp suaát, ño kích thöôùc, v.v Coù 2 daïng: Daïng boät than vaø daïng ñieän trôû laù. – Daïng boät than. Caûm bieán coù daïng moät coät than goàm nhieàu ñóa xeáp choàng leân nhau. Döôùi taùc duïng cuûa löïc cô hoïc (löïc ñeø, neùn) coät than seõ bò eùp nhieàu hay ít, daãn tôùi ñieän trôû cuûa coät than (ñieän trôû tieáp xuùc) bò thay ñoåi theo quy luaät Rx = f (P). a) b) Hình 5-4 . a – Ño möùc chaát loûng b – Ño toác ñoä cuûa chaát löu – Daïng ñieän trôû laù. Caáu taïo cuûa caûm bieán ñieän trôû bieán daïng goàm moät daây ñieän trôû raát maûnh, thöôøng laø loaïi hôïp kim coù ñieän trôû suaát lôùn, daùn caêng treân moät ñeá moûng caùch ñieän coù kích thöôùc côõ 1÷2 cm2 (hình 5-5). Giaù trò cuûa ñieän trôû tính theo coâng thöùc b ñaõ bieát: l R = ρ (5-2) a S Muoán kieåm tra ñoä bieán daïng cuûa moät chi tieát cô khí naøo ñaáy, ngöôøi ta daùn laù ñieän trôû naøy R vaøo ñoù. Ñoä bieán daïng cuûa chi tieát seõ taùc ñoäng leân laù ñieän trôû laøm thay ñoåi chieàu daøi cuûa daây Hình 5-5 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 134 - daãn, daãn ñeán söï thay ñoåi tieát dieän cuûa noù vaø keát quaû laø söï thay ñoåi ñieän trôû cuûa caûm bieán theo quy luaät: ∆R ∆ρ ∆l ∆S ∆ρ ∆l = + − = + (1+ 2µ) (5-3) R ρ l S ρ l Trong ñoù µ – heä soá Poisson. Bieán thieân töông ñoái cuûa ñieän trôû suaát laø haøm soá cuûa ñoä bieán thieân theå tích daây daãn: ∆ρ ∆l = γ (1 − 2µ) (5-4) ρ ρ l γρ – heä soá phuï thuoäc vaøo ñaëc tính caáu truùc tinh theå cuûa vaät lieäu laøm ñieän trôû. Töø caùc bieåu thöùc (5-3) vaø (5-4) ta coù theå ruùt ra bieåu thöùc ñeå bieåu thò moät ñaëc tính quan troïng cuûa caûm bieán ñieän trôû bieán daïng laø heä soá tenzoâ K: ⎛ ∆R ⎞ ⎛ ∆l ⎞ K = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ = [()1 + 2µ + γ ρ (1 − 2µ)]= []()1 + 2µ + m (5-5) ⎝ R ⎠ ⎝ l ⎠ Giaù trò cuûa K ñoái vôùi caùc vaät lieäu khaùc nhau thay ñoåi trong moät giôùi haïn ñuû roäng. Ñoái vôùi mangan K = 0,47÷0,5, ñoái vôùi hôïp kim Fe-Cr-Al thì K = 2,8 ÷2,9; ñoái vôùi constantan K = 1,9 ÷2,1. 2.2. Chuyeån ñoåi ñieän caûm. Ta bieát raèng ñieän caûm cuûa moät oáng daây xaùc ñònh theo bieåu thöùc: N 2 N 2 N 2 N 2 L = µµ Sl = µµ S = = (5-6) o 2 o l l l RT µµoS l Trong ñoù: RT = – Töø trôû cuûa maïch töø; µµo S l – Chieàu daøi cuûa oáng daây; µ – Ñoä töø thaåm cuûa loõi; -7 µo = 4π. 10 H/m – Haèng soá töø; N – Soá voøng daây. Khi µ thay ñoåi laøm RT thay ñoåi vaø L thay ñoåi. Khaûo saùt söï bieán thieân cuûa L ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc ñoä lôùn cuûa ñaïi löôïng cô caàn ño. Nguyeân taéc naøy ñöôïc aùp duïng ñeå cheá taïo caûm bieán ñieän caûm. 2.2.1.Caûm bieán kieåu ñieän caûm L. Caáu taïo cuûa caûm bieán ñieän caûm L goàm moät loõi saét töø, treân ñoù quaán moät soá voøng daây N. Loõi saét ñöôïc gheùp töø moät phaàn khung chöõ U vaø 1 phaàn chöõ I (hình 5-6) Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 135 - Ta coù: N 2 L = (5-7) RT Trong ñoù RT = Rl + Rδ Töø trôû cuûa phaàn loõi saét Rl coù giaù trò: l Rl = (5-8) µµo S Hình 5-6 l – Chieàu daøi cuûa khung chöõ U + khung I; µ – Ñoä töø thaåm cuûa loõi saét; S – Tieát dieän loõi saét. Phaàn töø trôû cuûa khe δ coù giaù trò: 2δ Rδ = (5-9) µk µo S µk – Ñoä töø thaåm cuûa khoâng khí. Töø ñoù ta coù: N 2 N 2 L = = = L(δ ) (5-10) R i 2δ T + µµoS µk µoS Döôùi taùc duïng cuûa ngoaïi löïc laøm δ thay ñoåi, hoaëc µk thay ñoåi daãn tôùi töø trôû cuûa khe thay ñoåi vaø laøm ñieän caûm L thay ñoåi. Coâng thöùc (5-10) bieåu dieãn söï phuï thuoäc cuûa ñieän caûm L vaøo söï bieán thieân cuûa δ, haøm truyeàn ñaït laø phi tuyeán, ñoà thò cuûa noù chæ ra treân hình 5-7,a. L L L 1 δ L1+ L2 δ L2 a) b) Hình 5-7 Trong thöïc teá, ñeå caûi thieän ñaëc tuyeán truyeàn ñaït (taêng khoaûng tuyeán tính cuûa ñaëc tuyeán) ngöôøi ta thöôøng duøng caûm bieán ñieän caûm döôùi daïng vi sai. Nguyeân lyù caáu truùc cuûa noù chæ ra treân hình 5-8. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 136 - Caûm bieán vi sai coù 2 khe coâng taùc δ1 vaø δ2 maø söï thay ñoåi ñoä lôùn cuûa noù phuï thuoäc vaøo söïï dòch chuyeån cuûa loõi ñoäng chöõ I ôû giöõa. Ñaïi löôïng ño taùc ñoäng leân loõi töø laøm noù di chuyeån laøm cho δ1 vaø δ2 thay ñoåi. Keát quaû ñoä lôùn cuûa ñieän caûm L1 vaø L2 thay ñoåi. Chaúng haïn, neáu taùc duïng laøm loõi di chuyeån theo döông (+), δ1 seõ taêng vaø δ2 seõ giaûm daãn tôùi laøm L1 giaûm vaø L2 taêng. Ngöôïc laïi, neáu loõi dòch chuyeån theo chieàu aâm (-), laøm δ1 giaûm vaøø δ2 taêng daãn tôùi L1 taêng vaø L2 Hình 5-8. giaûm. Ñaëc tuyeán truyeàn ñaït cuûa caûm bieán vi sai chæ Caûm bieán ñieän caûm vi sai ra treân hình 5-7,b cho thaáy khoaûng tuyeán tính cuûa haøm truyeàn toång coäng ñöôïc môû roäng. – ÖÙng duïng: Ño ñoä di chuyeån beù, kieåm tra beà daøy caùc taám kim loaïi caùn, kieåm tra kích thöôùc caùc chi tieát cô khí chính xaùc 2.2.2.Caûm bieán kieåu hoã caûm M. Caáu taïo cuûa caûm bieán hoã caûm M gioáng nhö caûm bieán ñieän caûm L, nhöng coù 2 cuoän daây N1 vaø N2 (hình 5-9). Hoaït ñoäng cuûa caûm bieán M tuaân theo nguyeân taéc caûm öùng ñieän töø gioáng nhö nguyeân taéc laøm vieäc cuûa moät maùy bieán aùp. Neáu ta taùc ñoäng moät tín hieäu xoay chieàu e1 = E1sin ωt leân 2 ñaàu cuoän N1 thì treân 2 ñaàu cuoän N2 seõ thu ñöôïc tín hieäu e2 = E2 sin ωt. Trong ñoù: E N 1 = 1 E2 N2 Goïi I1 laø doøng trong cuoän N1 thì trong cuoän N2 seõ coù doøng I2: Hình 5-9 2π I2 = M I1 ω = MI (5-11) 1 f Trong ñoù M laø hoã caûm giöõa 2 cuoän daây: N N M = 1 2 (5-12) R R laø töø trôû cuûa maïch töø. Neáu ta giöõ cho I1 vaø ω khoâng ñoåi thì doøng I2 chæ coøn laø haøm 1 bieán cuûa M, maø giaù trò cuûa M phuï thuoäc vaøo töø trôû cuûa maïch töø theo (5-12). Nhö vaäy, neáu R thay ñoåi, M seõ thay ñoåi vaø daãn ñeán I2 thay ñoåi. Noùi caùch khaùc ta coù: I2 = f(R). (5-13) – ÖÙng duïng: Ño ñoä di chuyeån beù, kieåm tra beà daøy caùc taám kim loaïi caùn, kieåm tra kích thöôùc caùc chi tieát cô khí chính xaùc 2.2.3.Caûm bieán caûm öùng. Caûm bieán caûm öùng döïa treân nguyeân taéc caûm öùng ñieän töø: khi moät khung daây daãn kín quay trong moät töø tröôøng B, trong khung daây seõ xuaát hieän moät suaát ñieän ñoäng caûm öùng. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 137 - dΦ e = − dt Theo nguyeâ taéc naøy ngöôøi ta ñaõ cheá taïo ra maùy phaùt toác ñeå ño toác ñoä quay cuûa caùc ñoäng cô, maùy phaùt. Noù chính laø moät maùy phaùt ñieän nhoû kích töø baèng nam chaâm vónh cöõu (hình 5-10,a). Phaàn öùng quay vôùi toác ñoä baèng hoaëc tyû leä vôùi toác ñoä quay cuûa ñoäng cô. Suaát ñieän ñoäng xuaát hieän trong maïch phaàn öùng tyû leä vôùi toác ñoä quay n. e = k.n (5-14) Ño s.ñ.ñ e ta deã daøng xaùc ñònh ñöôïc toác ñoä quay n. Thang ñoä cuûa ñoàng hoà ñöôïc khaéc ñoä tröïc tieáp ra vaän toác. Ñóa caûm öùng Gaén vôùi truïc ñoäng cô a) b) Hình 5-10. Toác keá Theo nguyeân taéc naøy coù theå cheá taïo theo kieåu nam chaâm (phaàn caûm) quay. Khi ñoù phaàn öùng laø moät ñóa kim loaïi gaén vôùi truïc quay ñoäng vaø kim chæ thò. Khi nam chaâm gaén vôùi truïc cuûa ñoäng cô quay (hình 5-10,b), töø tröôøng xuyeân qua ñóa bieán thieân, treân ñóa xuaát hieän doøng caûm öùng. Doøng naøy sinh ra töø tröôøng choáng laïi töø tröôøng ñaõ sinh ra noù (töùc choáng laïi söï quay), nhöng nam chaâm gaén vôùi truïc ñoäng cô vaãn quay buoäc ñóa phaûi quay theo. Ñóa gaén vôùi truïc, treân coù moät loø xo caûn. Khi moâ men caûn caân baèng vôùi moâ men quay ñóa seõ ñöùng yeân vaø kim chæ thò ôû moät vò trí xaùc ñònh treân thang ñoä. Döïa treân nguyeân taéc caûm öùng ngöôøi ta ñaõ cheá taïo ra duïng cuï xaùc ñònh phöông höôùng treân maùy bay. Ta bieát raèng traùi ñaát chuùng ta laø moät nam chaâm khoång loà. Töø tröôøng do noù sinh ra coù caùc ñöôøng söùc chaïy töø Baéc xuoáng Nam. Khi bay trong baàu trôøi, maùy bay chòu taùc duïng töø tröôøng cuûa traùi ñaát. Treân cô sôû ñoù ngöôøi ta ñaõ cheá taïo moät duïng cuï xaùc ñònh phöông Hình 5-11 höôùng coù caáu truùc nhö sau: Duïng cuï goàm 2 thanh saét töø ñaët song song, treân coù quaán 2 cuoän daây kieåu bieán theá (hình 5-11). Cuoän sô caáp (daây nhoû) quaán treân 2 thanh saét ngöôïc chieàu nhau vaø noái vôùi moät nguoàn ñieän xoay chieàu. Bình thöôøng, töø tröôøng do chuùng sinh ra ngöôïc chieàu nhau neân chuùng trieät tieâu laãn nhau. Cuoän thöù caáp (daây lôùn) quaán bao laáy caû 2 thanh saét töø. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 138 - Khi bay trong baàu trôøi, 2 thanh saét naèm trong töø tröôøng traùi ñaát. Khi ñoù, neáu ôû moät thanh saét töø tröôøng do baûn thaân doøng ñieän sinh ra ñöôïc coäng theâm vôùi töø tröôøng traùi ñaát thì ngöôïc laïi, ôû thanh saét kia töø tröôøng ñoù seõ bò tröø ñi, do ñoù töø tröôøng toång do cuoän sô caáp sinh ra seõ khaùc khoâng. Keát quaû trong cuoän thöù caáp seõ phaùt sinh moät söùc ñieän ñoäng. Ñoä lôùn cuûa söùc ñieän ñoäng naøy phuï thuoäc vaøo töø thoâng xuyeân qua beà maët cuûa caûm bieán, töùc phuï thuoäc vaøo goùc giöõa 2 thanh saét vôùi höôùng töø tröôøng traùi ñaát. Nhö vaäy, ño söùc ñieän ñoäng coù theå xaùc ñònh ñöôïc goùc phöông vò treân baàu trôøi. 2.3. Chuyeån ñoåi ñieän dung. Ta bieát raèng, ñieän dung cuûa moät tuï ñieän laø moät thoâng soá ñaëc tröng cho khaû naêng tích ñieän cuûa noù, coù giaù trò phuï thuoäc vaøo kích thöôùc cuûa caùc baûn tu (S)ï, khoaûng caùch giöõa caùc baûn (d) vaø baûn chaát cuûa chaát ñieän moâi giöõa chuùng (ε). Döïa vaøo caùc ñaëc tính treân ngöôøi ta ñaõ cheá taïo ra caùc boä chuyeån ñoåi kieåu ñieän dung. Thöôøng coù 2 daïng: tuï phaúng vaø tuï hình truï. Ñoái vôùi daïng tuï phaúng, ñieän dung cuûa caûm bieán thay ñoåi theo quy luaät: S C = εε (n −1) (5-15) o d Trong ñoù: n – soá taám baûn cöïc, S – dieän tích cuûa 1 baûn cöïc; D – khoaûng caùch giöõa 2 baûn cöïc; -12 ε – haèng soá ñieän moâi; εo = 8,85. 10 F/m – haèng soá ñieän. Nhö vaäy, C laø haøm cuûa 3 bieán d, S vaø ε. Noùi caùch khaùc coù theå söû duïng caûm bieán ñieän dung C ñeå ño caùc ñaïi löôïng cô hoïc laøm thay ñoåi moät trong caùc ñaïi löôïng noùi treân theo caùc quan heä sau: Cx = f (d); Cx = f (S) ; Cx = f (ε) (5-16) Ñoà thò bieåu dieãn söï phuï thuoäc haøm soá giöõa ñieän dung C vaøo caùc bieán d, S vaø ε chæ ra treân hình 5-12. S 3 d C C C d S 3 a) d thay ñoåi b) S thay ñoåi c) 3 thay ñoåi Hình 5-12.Caùc daïng caûm bieán ñieän dung phaúng Ñoái vôùi daïng tuï hình truï, ñieän dung cuûa tuï ñöôïc tính: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 139 - 2πεε l C = o (5-16) R ln 2 R1 Trong ñoù: l – Chieàu cao cuûa hình truï; R1 – Baùn kính hình truï trong; R2 – Baùn kính hình truï ngoaøi. Caûm bieán ñieän dung loaïi naøy thöôøng ñöôïc duøng ñeå ño möùc hoaëc söï dòch chuyeån laøm thay ñoåi ñaïi löôïng lx theo quan heä Cx = k lx. Treân hình 5-13 laø sô ñoà cuûa cuûa moät soá caûm bieán ñieän dung ñôn giaûn vaø ñoà thò bieåu dieãn haøm truyeàn ñaït cuûa chuùng. a) b) c) Hình 5-13. Sô ñoà vaø haøm truyeàn ñaït cuûa moät soá caûm bieán ñieän dung Treân hình 5-13, a caûm bieán ñöôïc caáu taïo bôûi 2 baûn tuï. Baûn tuï 1 gaén coá ñònh vaø baûn tuï 2 treo baèng loø xo ñaøn hoài coù theå dòch chuyeån döôùi taùc duïng cuûa aùp löïc P(t). Haøm truyeàn ñaït cuûa chuyeån ñoåi Cx = f(dx) laø phi tuyeán (coù daïng hypebol). Vôùi caùc giaù trò ∆d < do coù theå xem haøm truyeàn gaàn tuyeán tính. Treân hình 5-13, b ñieän dung Cx ñöôïc xaùc ñònh bôûi giaù trò lx, laø ñoaïn ñoái nhau cuûa 2 hình truï 5 vaø 3 ngaên caùch bôûi lôùp ñieän moâi hình truï 4. Döôùi taùc duïng cuûa ñaïi löôïng cô x(t) laøm hình truï 5 di chuyeån vaø laøm lx thay ñoåi. Haøm truyeàn ñaït cuûa chuyeån ñoåi coù ñaëc tính tuyeán tính: l C = 2πεε x = k l (5-17) o D x ln d Trong ñoù D vaø d töông öùng laø ñöôøng kính cuûa baûn tuï ngoaøi vaø baûn tuï trong. Treân hình 5-13, c laø boä chuyeån ñoåi ñieän dung duøng ñeå ño ñoä aåm cuûa caùc vaät theå daïng haït rôøi (nguõ coác, ñöôøng caùt, v.v ). Noù ñöôïc caáu taïo töø 2 baûn tuï song song 6 ñöôïc gaén vôùi tay caàm 7 laøm baèng vaät lieäu caùch ñieän chaát löôïng cao. Vì khoaûng caùch giöõa 2 baûn tuï vaø dieän tích cuûa caùc baûn laø khoâng ñoåi, neân ñieän dung Cx laø haøm tuyeán tính cuûa haèng soá ñieän moâi ε cuûa moâi tröôøng giöõa 2 baûn tuï. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 140 - Ngoaøi nhöõng caûm bieán ñieän dung ñôn giaûn nhö treân, trong kyõ thuaät ño coøn söû duïng roäng raõi caùc caûm bieán ñieän dung ñaáu vi sai ñeå ño löu löôïng hoaëc toác ñoä chaát löu vaø caùc boä chuyeån ñoåi ñieän dung coù haøm truyeàn ñaït phöùc taïp hôn ñeå giaûi quyeát caùc baøi toaùn trong thöïc tieãn maø treân caùc hình 5-14, vaø hình 5-15 laø hai ví duï cuï theå. Boä chuyeån ñoåi ñieän dung treân hình 5-14, a laø cô caáu ñeå kieåm tra möùc chaát loûng trong bình chöùa 1, Giaù trò cuûa ñieän dung Cx phuï thuoäc vaøo möùc chaát loûng trong bình. Sô ñoà töông ñöông cuûa heä nhö treân hình 5-14, b. trong ñoù C1 laø phaàn tuï trong khoâng khí, C2 laø phaàn tuï nhuùng trong chaát loûng. ε ε S ε ε S C = 1 o 1 vaø C = 2 o 2 (5-18) 1 d 2 d Vôù i S1 = k(l – x) vaø S2 = kx, ta coù giaù trò cuûa haøm truyeàn ñaït Cx laø: ε ε ε ε ε ε ε C = C + C = k 1 o (l − x) + k 2 o x = k 1 o l − k o (ε − ε )x x 1 2 d d d d 1 2 Cx = ko + k1x (5-19) ε ε ε Trong ñoù: k = k 1 o l ; k = k o (ε − ε ) laø caùc haèng soá. o d 1 d 1 2 a) b) Hình 5-14. Chuyeån ñoåi ñieän dung ñeå ño möùc chaát loûng Treân hình 5-15, a laø nguyeân lyù chuyeån ñoåi ñieän dung duøng ñeå kieåm tra vaø ño beà daøy caùc taám phi kim loaïi. Sô ñoà chuyeån ñoåi töông ñöông 2 tuï ñieän C1 vaø C2 maéc noái tieáp (hình 5-15, b). a) b) Hình 5-15. Chuyeån ñoåi ñieän dung ñeå ño beà daøy caùc taám phi kim loaïi ε oε1S ε oε 2 S Trong ñoù: C1 = ; vaø C2 = (5-20) d − δ x δ x Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 141 - Haøm truyeàn cuûa chuyeån ñoåi xaùc ñònh bôûi giaù trò ñieän dung töông ñöông cuûa C1 vaø C2 maéc noái tieáp. C1C2 a C x = = (5-21) C1 + C2 b + δ x ε ε ε ε Trong ñoù: a = o 1 2 S vaø b = 2 d (5-22) ε1 − ε 2 ε1 − ε 2 2.4. Chuyeån ñoåi aùp ñieän. Chuyeån ñoåi aùp ñieän döïa treân cô sôû hieäu öùng aùp ñieän xaûy ra ñoái vôùi moät soá tinh theå nhö thaïch anh, tuoácmalin, titanat bari, Coù 2 daïng: – Hieäu öùng aùp ñieän thuaän: Khi bò bieán daïng, treân beà maët tinh theå xuaát hieän caùc ñieän tích traùi daáu. – Hieäu öùng aùp ñieän nghòch: Tinh theå aùp ñieän khi ñaët trong ñieän tröôøng bieán thieân seõ bò bieán daïng. Trong kyõ thuaät ño löôøng thöôøng söû duïng tinh theå thaïch anh laøm caùc boä chuyeån ñoåi. Tinh theå thaïch anh coù daïng luïc laêng vôùi 2 ñaàu laø 2 hình choùp ñoái xöùng nhö treân hình 5-16, a, Moãi tinh theå thaïch anh coù 3 truïc, maø moãi truïc coù nhöõng hieäu öùng ñaëc bieät gaén vôùi caùc hieän töôïng cô, quang vaø ñieän. Truïc quang hoïc Z laø truïc ñi qua 2 ñænh hình choùpï. Truïc ñieän X ñi qua caïnh cuûa laêng truï vaø vuoâng goùc vôùi truïc quang. Truïc cô Y laø truïc höôùng vuoâng goùc vôùi maët beân cuûa laêng truï. a) b) c) Hình 5-16. Tinh theå thaïch anh vaø caùc truïc cuûa noù: truïc quang Z, truïc ñieän X vaø truïc cô Y Neáu caét töø tinh theå thaïch anh ra moät khoái hình hoäp, coù caùc caïnh ñònh höôùng theo caùc truïc X, Y nhö hình 5-16, b thì khi taùc duïng löïc Px leân tinh theå doïc theo höôùng truïc ñieän X, treân 2 beà maët ñoái dieän cuûa tinh theå seõ xuaát hieän caùc ñieän tích traùi daáu (hieäu öùng doïc): Qx = D Px (5-23) Trong ñoù: D – laø haèng soá aùp ñieän. Vôùi thaïch anh D = 2,3.10-12 C/N Neáu taùc duïng löïc cô hoïc Py doïc theo truïc cô Y, treân 2 beà maët cuûa tinh theå cuõng xuaát hieän caùc ñieän tích (hieäu öùng ngang), nhöng ngöôïc daáu vôùi hieäu öùng doïc: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 142 - Sy Qy = DPy (5-24) Sx Trong ñoù Sy vaø Sx töông öùng laø caùc dieän tích beà maët baûn tinh theå vuoâng goùc vôùi caùc truïc Y vaø truïc X. Daáu cuûa caùc ñieän tích xuaát hieän seõ thay ñoåi khi chuyeån töø bieán daïng neùn sang daõn vaø ngöôïc laïi. Caûm bieán aùp ñieän ñöôïc söû duïng trong caùc duïng cuï ño chaán ñoäng, ño ñoä rung. § 3. CHUYEÅN ÑOÅI NHIEÄT ÑIEÄN 3.1. Caëp nhieät ñieän. Nguyeân lyù: Hai thanh kim loaïi A vaø B khaùc chaát ñöôïc haøn vôùi nhau. Neáu ñaët 2 moái haøn ôû 2 nhieät ñoä to vaø t khaùc nhau (hình 5-17), trong maïch seõ xuaát hieän moät suaát ñieän ñoäng nhieät ñieän E, coù giaù trò tyû leä vôùi hieäu soá nhieät ñoä cheânh leäch. E = f (t – to) (5-25) ttt B A B A A B to t o to c) a) b) Hình 5-17. Caëp nhieät ñieän Nhö vaäy, neáu giöõ coá ñònh nhieät ñoä moät ñaàu moái haøn, ñaàu kia laøm ñaàu doø nhieät, thì khi ño suaát nhieät ñieän ñoäng ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc nhieät ñoä caàn ño. Trong baûng 5-1 cho giaù trò suaát nhieät ñieän ñoäng taïo bôûi caùc kim loaïi khaùc nhau o o vôùi Platin khi nhieät ñoä to = 0 C vaø t = 100 C. Baûng 5-1 Suaát nhieät ñieän E, Suaát nhieät ñieän E, Vaät lieäu Vaät lieäu (mV ôû 100oC) (mV ôû 100oC) Nicrom +2,2 Constantan -3,4 Mangan +0,76 Coâpen -3,6 Ñoàng +0,76 Niken -1,5 Croâm +2,4 Alumen -1,7 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 143 - Ñoä chính xaùc cuûa pheùp ño nhieät ñoä khi duøng caëp nhieät phuï thuoäc raát nhieàu vaøo vieäc coá ñònh chính xaùc nhieät ñoä ñaàu khoâng laøm vieäc. Trong thöïc teá, thöôøng ñaët ñaàu khoâng laøm vieäc ôû nhieät ñoä nöôùc ñaù ñang tan (0oC). Nhöng ñieàu naøy gaây baát tieän trong söû duïng vaø laøm coàng keành thieát bi, do vaäy ngöôøi ta thöôøng aùp duïng caùc bieän phaùp boå trôï baèng caùc maïch ñieän ñeå buø tröø nhieät ñoä ñaàu khoâng laøm vieäc moät caùch töï ñoäng. Moät trong nhöõng phöông phaùp buø töï ñoäng raát ñôn giaûn vaø tieän lôïi chæ ra treân hình 5-18. Caëp nhieät vaø ñoàng hoà chæ thò ñöôïc maéc treân ñöôøng cheùo cuûa moät caàu ño ñieän trôû R1, R2, R3 ,R4. Caùc ñieän trôû R1, R2, R3 ñöôïc cheá taïo töø mangan coù heä soá nhieät ñieän trôû nhoû. R4 – töø ñoàng vaø niken. Caàu ño ñaët cuøng choã vôùi ñaàu khoâng laøm vieäc cuûa caëp nhieät ôû nhieät ñoä to ÔÛ nhieät ñoä ban ñaàu to ñieàu chænh ñeå caàu caân baèng nhôø R3. Trong quaù trình ño nhieät ñoä, neáu nhieät ñoä to taêng leân thì giaù trò cuûa ñieän trôû R4 cuõng taêng leân, vaø giaù trò ñieän aùp xuaát hieän treân ñöôøng cheùo caàu ño seõ buø vaøo söï giaûm suaát nhieät ñieän cuûa caëp nhieät. Ñoä chính xaùc cuûa pheùp buø theo sô ñoà naøy côõ 0,01mV vôùi moãi moät thay ñoåi o 10 C cuûa nhieät ñoä to. t R1 R2 + R4 - R3 Hình 5-18. Sô ñoà buø töï ñoäng nhieät ñoä ñaàu khoâng laøm vieäc Do giaù trò cuûa suaát nhieät ñieän khaù beù côõ mV, neân khi ño phaûi söû duïng caùc maïch khueách ñaïi. 3.2. Nhieät ñieän trôû. 3.2.1. Nhieät trôû kim loaïi (α > 0). Phaàn lôùn kim loaïi nhö Cu, Fe, Ni, Al, Pt coù heä soá nhieät ñieän trôû döông. Trò soá ñieän trôû phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä theo heä thöùc: Rt = Ro (1 + α ∆t) vaø ρt = ρo (1 + α ∆t) (5-26) Söû duïng nhieät trôû kim loaïi laøm caûm bieán nhieät cho ñaëc tuyeán truyeàn ñaït tuyeán tính. Khoaûng nhieät ñoä laøm vieäc cuûa moät soá nhieät trôû nhö: Pt: –200 ÷ 1000 oC; Ni: –80 ÷ 300oC; Cu: –200 ÷ 200oC; Ni-Fe: –200 ÷ 250oC. Thöôøng söû duïng platin vì cho pheùp khoaûng ño nhieät roäng. Heä soá nhieät ñieän trôû cuûa platin α = 0,00392 /oC. Nhö vaäy giaù trò cuûa ñieän trôû thay ñoåi khoaûng 0,3Ω/oC. 3.2.2. Nhieät trôû baùn daãn – thermistor (α < 0) . Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 144 - Nhieät trôû baùn daãn ñöôïc cheá taïo töø caùc oxyùt kim loaïi MnO, ZnO, CuO. Giaù trò ñieän trôû phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä theo quy luaät: β β T T RT = R∞ e vaø ρT = ρ∞ e (5-26) Trong ñoù: R∞ – ñieän trôû ôû nhieät ñoä voâ cuøng lôùn; β – heä soá phuï thuoäc vaøo chaát baùn daãn, coù giaù trò töø 10÷104. 1 dρ β α = = − < 0 (5-27) ρ dt T 2 Nhieät trôû baùn daãn coù β lôùn neân ñoä nhaïy cao. Tuy nhieân haøm truyeàn phi tuyeán neân khi ño phaûi duøng caùc maïch boå trôï ñeå tuyeán tính hoùa ñaëc tuyeán truyeàn ñaït. 3.3. Caûm bieán nhieät duøng tieáp giaùp P-N baùn daãn. Döïa treân cô sôû theá phaân cöïc cho tieáp giaùp P-N baùn daãn (ñoái vôùi diode vaø transistor) phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä, ngöôøi ta ñaõ cheá taïo ra caùc caûm bieán nhieät duøng diode vaø transistor. Ta bieát ñieän theá phaân cöïc VD = (0,2 ÷ 0,3)V ñoái vôùi diode Ge vaø VD = (0,6÷0,7)V ñoái vôùi diode Si. Tuy nhieân giaù trò cuûa VD thay ñoåi theo nhieät ñoä. Khi nhieät ñoä taêng theá phaân cöïc giaûm. Bieán thieân töông ñoái theo nhieät ñoä cuûa VD : ∆V D = - (2,1 ÷ 2,5) mV/ oC (5-28) ∆T Caûm bieán nhieät duøng diode ñöôïc maéc vaøo maïch ño theo sô ñoà hình 5-19, a. Bieán thieân töông ñoái cuûa theá loái ra theo nhieät ñoä xaùc ñònh theo heä thöùc: ∆Vo ⎛ R2 ⎞ = ∆VD ⎜1 + ⎟ (5-29) ∆T ⎝ R1 ⎠ Ñoái vôùi transistor, ñieän aùp phaân cöïc VBE phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä theo heä thöùc: kT ⎛ I ⎞ ⎜ C ⎟ VBE = ln ⎜ ⎟ (5-30) q ⎝ I S ⎠ Trong ñoù: IS – doøng ngöôïc baõo hoøa; IC – doøng colector. K = 1,38.10-34J.s – Haèng soá Bolzermant Vì giaù trò cuûa doøng IC thay ñoåi theo nhieät ñoä neân caàn söû duïng nguoàn doøng oån ñeå loaïi tröø söï troâi nhieät. Khi söû duïng thöôøng gheùp caëp transistor nhö hình 5-19, b. +V +V R3 10K Q2 - Vo VD Vo + R1 4K D Q1 V R2 BE 1K R1 R2 a) b) Hình 5-19 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 145 - Töø hình veõ ta coù: R1 + R2 Vo = VBE = 5VBE R2 Nhöôïc ñieåm cuûa caûm bieán nhieät duøng diode vaø transistor laø daõi ño nhieät ñoä bò haïn cheá trong khoaûng töø –40oC ñeán 150oC. Caùc caûm bieán ñöôïc cheá taïo coâng nghieäp nhö FJT1000, FD300, FD200 duøng cho daõi ño töø 40oK ñeá 400oK. Ngoaøi ra, caùc caûm bieán ño nhieät ñoä chuyeân duïng ñöôïc cheá taïo döôùi daïng nguoàn theá nhö LM135, LM235,LM335 coù haøm truyeàn tuyeán tính vôùi ñaùp öùng 10mV/oK. Hoaëc caûm bieán döôùi daïng nguoàn doøng nhö AD590 cho ñaùp öùng 1µA/oK. § 4 CHUYEÅN ÑOÅI HOÙA ÑIEÄN 4.1. Caûm bieán ñieän trôû dung dòch. Ta coù ñieän trôû cuûa coät chaát loûng dung dòch chieàu daøi l giöõa 2 baûn cöïc S ñöôïc xaùc ñònh theo heä thöùc: l R = ρ (5-31) S Trong ñoù: ρ = 1/ γ – ñieän trôû suaát cuûa dung dòch, vôùi γ ñöôïc goïi laø suaát daãn ñieän cuûa dung dòch tæ leä vôùi hoaït tính ñöông löôïng hoùa hoïc: γ = λ f c = λ a (5-32) ÔÛ ñaây: f – Heä soá hoaït tính cuûa dung dòch; c – Noàng ñoä dung dòch; λ – Ñoä daãn ñieän ñöông löôïng cuûa dung dòch; a = f c – Hoaït tính cuûa dung dòch hay ñoä linh ñoäng cuûa caùc ion. Nhö vaäy, neáu giöõ cho l, S khoâng ñoåi thì ñieän trôû cuûa dung dòch seõ thay theo γ. Noùi caùch khaùc ñieän trôû seõ laø haøm soá cuûa noàng ñoä dung dòch c: l l 1 l 1 R = ρ = ⋅ = ⋅ = f (c) (5-33) S S λ f c S λ a Ño ñieän trôû coù theå xaùc ñònh ñöôïc noàng ñoä dung dòch. Löu yù: Suaát daãn ñieän cuûa dung dòch phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä theo quan heä: γ t = γ o [1 + (t − to )β ] (5-34) Vôùi axít: β = 0,016 ñoä-1; bazô: β = 0,019 ñoä-1; muoái: β = 0,024 ñoä-1. Khi bò ñieän phaân muoái seõ toûa nhieät laøm cho ñoä linh ñoäng a = fc taêng leân, daãn tôùi γ taêng. Do ñoù, khi ño noàng ñoä baèng ñieän trôû dung dòch caàn quan taâm ñeán nhieät ñoä, vaø phaûi coù bieän phaùp boå chính. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 146 - 4.2. Caûm bieán suaát ñieän ñoäng ganvanic. 4.2.1.Khaùi nieäm veà ñoä pH. Theo ñònh nghóa: pH = − lg a (5-35) 10 H + Trong ñoù a – laø ñoä hoaït tính cuûa ion hydro H+. Ta coù: H + + − H2 0 → H + OH Goïi k laø haèng soá phaân ly, ta coù trong dung dòch k laø haèng soá: a + × a − k = H OH (5-36) H2 0 a H2O −14 k ⋅ a = a + × a − = 10 (5-37) H2 0 H2O H OH Vôùi moät dung dòch trung tính thì seõ coù: −7 a = a = 10 ; H + OH − -7 pH = -lg10 10 = 7. Neáu: pH 7 , dung dòch coù tính kieàm. 4.2.2.Ñieän theá ñieän cöïc. Baát kyø moät ñieän cöïc naøo khi nhuùng vaøo trong moät dung dòch ñeàu xuaát hieän moät theá ñieän cöïc E naøo ñoù. Khi nhuùng vaøo trong dung dòch 2 ñieän cöïc khaùc chaát (2 kim loaïi khaùc nhau), giöõa chuùng seõ toàn taïi moät theá hieäu xaùc ñònh, nghóa laø coù moät suaát ñieän ñoäng ganvanic. Ñieän theá giöõa ñieän cöïc vaø dung dòch goïi laø ñieän theá ñieän cöïc. Khoâng theå ño ñöôïc tröïc tieáp ñieän theá ñieän cöïc, vì khi ñaët ñieän cöïc thöù 2 vaøo dung dòch thì giöõa ñieän cöïc naøy vaø dung dòch cuõng xuaát hieän moät theá ñieän cöïc nöõa tham gia trong maïch ño. Do vaäy ñieän theá ñieän cöïc ñöôïc xaùc ñònh so vôùi theá ñieän cöïc chuaån. Ñieän cöïc chuaån laø ñieän cöïc baïch kim (Pt) coù khí hydro baùm vaøo ñöôïc coi laø ñieän cöïc khí hydro caém trong dung dòch H2SO4 coù noàng ñoä chuaån (a = 1g-dl/l). Theá ñieän cöïc cuûa caùc kim loaïi khaùc nhau ñöôïc so saùnh vôùi theá ñieän cöïc chuaån: Ví duï: Kali: E0 = -2,92 V; Keõm: E0 = -0,76 V; Ñoàng: E0 = +0,34 V; Baïc: E0 = +0,8 V. v.v Nhö vaäy phaàn töû ganvaníc hôïp thaønh giöõa Zn vaø Cu seõ coù suaát ñieän ñoäng: E0 (Zn-Cu) = +0,34 – (–0,76) = 1,1 V Khi dung dòch coù nhieät ñoä vaø noàng ñoä thay ñoåi, ñieän theá ñieän cöïc ñöôïc xaùc ñònh theo phöông trình Nezst. RT RT E = E + ln f c = E + ln a (5-38) o nF o nF Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 147 - Eo – Theá tieâu chuaån cuûa ñieän cöïc; R = 8,317 J/ñoä – Haèng soá khí; n – soá hoùa trò cuûa ion; c – noàng ñoä dung dòch; F = 96500 C / g.mol – Haèng soá Faraday; f – heä soá hoaït tính cuûa dung dòch; a = fc – Heä soá hoaït tính cuûa dung dòch. Ñoåi töø loâga töï nhieân sang thaäp phaân vaø thay caùc giaù trò R vaø F ta coù: 0,058 E = E + lg( fc) (5-39) o n Phöông trình 5-39 cho ta nguyeân taéc ño noàng ñoä dung dòch c baèng caùch ño suaát ñieän ñoäng E. 4.2.3.Caûm bieán suaát ñieän ñoäng Galoa. Duøng 2 ñieän cöïc gioáng nhau A vaø B nhuùng trong 2 dung dòch coù noàng ñoä khaùc nhau ôû cuøng moät nhieät ñoä (hình 5- 20). Zn Zn A B C1 C2 Hình 5-20 Ñieän theá ñieän cöïc cuûa moãi cöïc theo phöông trình Nezst: RT E = E + ln a 1 o nF 1 RT E = E + ln a 2 o nF 2 Suaát ñieän ñoäng Galoa baèng hieäu ñieän theá giöõa 2 ñieän cöïc: RT RT a1 E = E1 − E2 = ()ln a1 − ln a2 = ln (5-40) nF nF a2 Ñoä hoaït tính dung dòch thöôøng xaùc ñònh laø a , do vaäy coù theå vieát: H + RT (a + )1 E = ln H nF (a ) H + 2 Neáu choïn dung dòch 2 laø dung dòch coù noàng ñoä chuaån, sao cho ( a ) = 1 thì H + 2 khi ñoù suaát ñieän ñoäng Galoa seõ laø: RT RT RT E = ln (a + ) = 2,303 lg (a + ) = −2,303 ⋅ pH (5-41) nF H 1 F 10 H 1 F Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 148 - Vôùi t = 18oC thì: E = − 0,058 pH (5-42) Phöông trình 5-42 cho ta nguyeân taéc ñeå cheá taïo caùc maùy ño ñoä pH. § 5 . CHUYEÅN ÑOÅI QUANG ÑIEÄN Caùc chuyeån ñoåi quang ñieän laø caùc phaàn töû nhaïy caûm vôùi caùc böùc xaï, coù nhieäm vuï bieán ñoåi tín hieäu quang hoïc loái vaøo thaønh tín hieäu ñieän loái ra. Coù nhieàu loaïi caûm bieán quang ñieän nhö sau: – Teá baøo quang ñieän; – Quang trôû; – Pin quang ñieän; – Photo diode; Photo transistor. 5.1. Teá baøo quang ñieän. Teá baøo quang ñieän (TBQÑ) söû duïng hieäu öùng quang ñieän ngoaøi. Khi chieáu aùnh saùng coù böôùc soùng thích hôïp vaøo ca toát, töùc laø neáu naêng löôïng cuûa foâton tôùi lôùn hôn coâng thoaùt beà maët cuûa kim loaïi laøm ca toát: ε = hν ≥ eϕ, hieäu öùng quang ñieän seõ xaûy ra. Caùc ñaëc tính cô baûn cuûa TBQÑ laø: – Ñaëc tính quang: IΦ = f(Φx) laø söï phuï thuoäc cuûa doøng quang ñieän IΦ vaøo doøng quang thoâng Φx. – Ñaëc tính voân-ampe: IΦ = f(U) khi Φx = const. – Ñaëc tính taàn soá – laø söï phuï thuoäc taàn soá cuûa doøng IΦ vaøo taàn soá thay ñoåi cuûa Φx. – Ñaëc tính phoå ñöôïc xaùc ñònh bôûi ñoä nhaïy cuûa teá baøo quang ñieän ñoái vôùi chieàu daøi böôùc soùng aùnh saùng tôùi. Treân hình 5-21 chæ ra 5 nhoùm öùng duïng cô baûn cuûa TBQÑ. a) D b) c) d) e) Hình 5-21. Caùc sô ñoà söû duïng teá baøo quang ñieän Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý