Tài liệu Kỹ thuật đo lường điện – Điện tử

87 trang vanle 4080

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu Kỹ thuật đo lường điện – Điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

tai_lieu_ky_thuat_do_luong_dien_dien_tu.pdf

Nội dung text: Tài liệu Kỹ thuật đo lường điện – Điện tử

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC ÑAØ LAÏT F 7 G KYÕ THUAÄT ÑO LÖÔØNG ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ \ TS. Löu Theá Vinh
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 2 - MỤC LỤC MỤC LỤC 2 Lôøi noùi ñaàu 7 Chöông I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 8 §1. NHỮNG KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN 8 1.1. Khaùi nieäm veà ño löôøng: 8 1.2. Ñôn vò, heä ñôn vò ño löôøng 8 §2. PHÖÔNG PHAÙP THIEÁT BÒ ÑO 9 2.1. Heä thoáng ño kieåu bieán ñoåi thaúng 10 2.1.1. Veùc tô löôïng vaøo vaø veùc tô löôïng ra coù cuøng soá chieàu (n) 11 21.2. Veùc tô löôïng vaøo n chieàu, veùc tô löôïng ra 1 chieàu 11 2.1.3. Veùc tô löôïng vaøo n chieàu, veùc tô löôïng ra m chieàu 11 2.2. Heä thoáng ño kieåu so saùnh. 11 2 .2.1 Phöông phaùp so saùnh caân baèng 12 2.2.2. . Phöông phaùp so saùnh vi sai 12 2.2.3. Phöông phaùp maõ hoùa thôøi gian. 12 2.2.4. Phöông phaùp maõ hoùa taàn soá xung 13 2.2.5. Phöông phaùp maõ hoùa soá xung 13 2.2.6. Phöông phaùp maõ hoùa soá xung ngöôïc 14 2.2.7. Phöông phaùp ñeám xung 14 2.2.8. Phöông phaùp truøng phuøng. 15 § 3. CHÆ THÒ KEÁT QUAÛ ÑO LÖÔØNG 15 3.1. Chæ thò daïng töông töï 16 3.2. Chæ thò daïng soá 17 3.3. Chæ thò baèng ñeøn oáng tia aâm cöïc 22 3.3.1. Suùng ñieän töû. 22 3.3.2. Heä thoáng ñieàu tieâu. 22 3.3.3. Heä thoáng laùi tia ñieän töû 23 3.3.4. Maøn huyønh quang 24 3.3.5. Ñieàu chænh ñoä choùi 24 3.4. Chæ thò baèng aâm thanh vaø aùnh saùng. 24 3.5. Löu tröõ keát quaû ño löôøng. 25 3.5.1. Ghi lieân tuïc: 25 3.5.2. Ghi giaùn ñoaïn: 25 4. DUÏNG CUÏ ÑO DIEÄN, SAI SOÁ, CAÁP CHÍNH XAÙC 25 4.2. Sai soá. 27 4.2.1. Sai soá tuyeät ñoái: 27 4.2.2. Sai soá töông ñoái: 27 4.3. Caáp chính xaùc cuûa ñoàng hoà ño ñieän. 27 4.4 . Caùc caùch tính sai soá 28 4.4.1. Sai soá cuûa pheùp ño vôùi caùc thang ño khaùc nhau: 28 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 3 - 4.4.2. Sai soá töông ñoái cuûa toång 2 ñaïi löôïng 28 4.4.3. Sai soá töông ñoái cuûa tích 2 ñaïi löôïng. 28 4.4.4. Sai soá töông ñoái cuûa moät thöông 28 ChöôngII: ÑO CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG ÑIEÄN 29 § 1. KHAÙI NIEÄM CHUNG 29 § 2. ÑOÀNG HOÀ ÑO ÑIEÄN VAÏN NAÊNG 29 2.1. Caùc chæ tieâu chaát löôïng cuûa ñoàng hoà vaïn naêng 29 2.1.1. Ñoä nhaïy γ 29 2.1.2. Caáp chính xaùc 30 2.1.3. Tính thaêng baèng 30 2.2. Maïch ño trong ñoàng hoà ño ñieän vaïn naêng. 30 2.2.1. Maïch ño doøng ñieän moät chieàu 30 2.2.2. Maïch ño ñieän aùp moät chieàu 33 2.3. Ño doøng ñieän vaø ñieän aùp xoay chieàu. 35 2.4. Maïch ño ñieän trôû 36 2.4.1. OÂm keá coù ñieän trôû ño maéc noái tieáp. 36 2.4.2 OÂm keá coù ñieän trôû ño maéc song song 37 2.5. Thang ño ñeà xi ben 38 § 3. ÑO ÑIEÄN AÙP BAÈNG CAÙC VOÂN MEÙT TÖÔNG TÖÏ 38 3.1. Ñaëc tính chung 38 3.2. Caùc voân meùt ñieän töû ño ñieän aùp moät chieàu. 41 3.2.1. Voân keá transistor taûi emiter 41 3.2.2. .Maïch voân keá taûi emiter thöïc teá. 42 3.3. Keá ñaàu vaøo JFET. 45 3.3.1. Ta coù 46 3.3.2. ÔÛ khoaûng ño 10V, khi ñieän aùp vaøo laø 7,5V thì: 46 3.4.Voân keá transistor khueách ñaïi 46 3.4.1 Maïch voân keá duøng khueách ñaïi vi sai. 46 3.4.2. .Maïch voân keá duøng khueách ñaïi hoài tieáp. 48 3.5.Voân keá söû duïng maïch khueách ñaïi thuaät toaùn (OP- AMP). 50 3.5.1. Voân keá duøng maïch khueách ñaïi laëp laïi. 50 3.5.2. .Voân keá khueách ñaïi treân OP-AMP. 50 3.5.3. Voân keá söû duïng maïch bieán ñoåi ñieän aùp thaønh doøng ñieän. 52 3.6. Ño ñieän aùp xoay chieàu 52 3.6.1. Caùc maïch taùch soùng ñænh 53 3.6.3. Voân keá taùch soùng hieäu duïng 58 § 4. ÑO ÑIEÄN AÙP BAÈNG CAÙC VOÂN MEÙT SOÁ 61 4.1. Khaùi nieäm chung. 61 4.2. Phöông phaùp bieán ñoåi ñieän aùp sang taàn soá. 62 4.2.1. Nguyeân taéc. 62 4.2.2. Sô ñoà nguyeân lyù 62 4.2.3. Boä bieán ñoåi ñieän aùp sang taàn soá (V/F) . 63 4.2.4. Phaân tích khaû naêng choáng nhieãu cuûa sô ñoà 64 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 4 - 4.2.5. Ño ñieän aùp 2 daáu nhôø boä ñeám leân xuoáng 65 4.3. Phöông phaùp bieán ñoåi ñieän aùp sang khoaûng thôøi gian (V-T). 66 4.3.1. Phöông phaùp taïo haøm doác 66 4.3 2. Phöông phaùp tích phaân 2 söôøn doác (dual slope intergrator) . 67 4.3.3. Phöông phaùp taïo haøm baäc thang 72 § 5. BOÄ ÑEÁM ÑIEÄN TÖÛ. 73 5.1. Heä ñeám nhò phaân 73 5.2. Maõ hoùa caùc soá thaäp phaân 74 5.3. Boä ñeám. 76 5.4. Boä giaûi maõ 76 § 6. ÑO COÂNG SUAÁT VAØ ÑIEÄN NAÊNG. 78 6.1. Ño coâng suaát ñieän moät chieàu 78 6.2. Ño coâng suaát ñieän moät pha. Woaùt meùt ñieän ñoäng 78 6.3. Ño coâng suaát ñieän 3 pha. 79 6.3.1. Maïch 3 pha 4 daây 79 6.3.2. Maïch 3 pha 3 daây 79 6.4. Ño ñieän naêng 80 6.4.1. Cô caáu ño caûm öùng 80 6.4.2. Coâng tô caûm öùng moät pha 81 6.4.3. Ño ñieän naêng trong maïch ñieän 3 pha. 82 6.5. Bieán doøng vaø bieán aùp ño löôøng. 85 6.5.1. Khaùi nieäm chung. 85 6.5.2. Bieán doøng TI. 85 6.5.3. Bieán aùp ño löôøng TU 86 Chöông III: QUAN SAÙT VAØ GHI DAÏNG TÍN HIEÄU 88 1. DAO ÑOÄNG KYÙ ÑIEÄN TÖÛ 88 § 2. TAÀNG KHUEÁCH ÑAÏI KEÂNH Y 89 § 3. HIEÄN HÌNH DAÏNG SOÙNG 90 § 4. BOÄ TAÏO GOÁC THÔØI GIAN 92 4.1. Boä taïo dao ñoäng queùt raêng cöa. 92 4.2. Boä taïo goác thôøi gian töï ñoäng. 94 § 5. DAO DOÄNG KYÙ NHIEÀU KEÂNH 96 § 6. ÑAÀU DOØ CUÛA DAO ÑOÄNG KYÙ 98 6.1. Ñaàu doø 1:1. 98 6.2. Ñaàu doø suy giaûm. 99 6.3. Ñaàu doø chuû ñoäng (Active probe) 100 § 7. DAO DOÄNG KYÙ COÙ NHÔÙ 101 7.1. Dao ñoäng kyù coù nhôù daïng töông töï. 101 7.2. Dao ñoäng kyù coù nhôù daïng soá 102 § 8. DUÏNG CUÏ GHI BIEÅU ÑOÀ 102 8.1. Maùy ghi bieåu ñoà treân baêng kieåu ñieän keá 102 8.2. Maùyï ghi bieåu ñoà treân baêng kieåu chieát aùp. 104 8.3. Maùyï ghi bieåu ñoà treân baêng duøng ñieän cöïc raén 106 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 5 - 8.4. Maùyï ghi theo toïa ñoä xy 107 § 9. KYÕ THUAÄT ÑO LÖÔØNG BAÈNG DAO ÑOÄNG KYÙ 108 9.1. Ño bieân ñoä, taàn soá vaø pha cuûa ñieän aùp tín hieäu 109 9.2. Ño caùc tham soá xung 110 9.3. Phöông phaùp hình Lissajou. 112 Chöông IV: MAÙY TAÏO SOÙNG ÑO LÖÔØNG 115 § 1. KHAÙI NIEÄM CHUNG 115 § 2. MAÙY TAÏO SOÙNG SIN TAÀN THAÁP LF 115 § 3. MAÙY TAÏO HAØM 118 3.1. Taàng dao ñoäng chuû 118 3.2. Boä taïo haøm sin. 120 § 4. MAÙY PHAÙT XUNG 122 4.1. Ña haøi phieám ñònh 122 4.2. Ña haøi ñôn oån. 124 4.3. Boä suy giaûm vaø dòch möùc DC loái ra. 126 § 5. MAÙY TAÏO TÍN HIEÄU RF 126 5.1. Sô ñoà khoái cuûa maùy taïo tín hieäu RF 126 5.2. Maïch dao ñoäng RF 127 5.3. Maïch ñieàu bieán bieân ñoä vaø ñieàu bieán taàn soá 128 5.3.1. Ñieàu bieán bieân ñoä. 128 5.3.2. Ñieàu bieán taàn soá 129 5.4. Taûi cuûa maùy taïo soùng 130 Chöông V : ÑO CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG KHOÂNG ÑIEÄN 131 § 1. KHAÙI NIEÄM CHUNG 131 § 2. CHUYEÅN ÑOÅI CÔ ÑIEÄN 132 2.1. Chuyeån ñoåi ñieän trôû R. 132 2.1.1.Nguyeân taéc. 132 2.1.2.Caûm bieán loaïi bieán trôû 132 2.1.3. Caûm bieán ñieän trôû bieán daïng 133 2.2. Chuyeån ñoåi ñieän caûm 134 2.2.1.Caûm bieán kieåu ñieän caûm L. 134 2.2.2.Caûm bieán kieåu hoã caûm M. 136 2.2.3.Caûm bieán caûm öùng 136 2.3. Chuyeån ñoåi ñieän dung 138 2.4. Chuyeån ñoåi aùp ñieän 141 § 3. CHUYEÅN ÑOÅI NHIEÄT ÑIEÄN 142 3.1. Caëp nhieät ñieän 142 3.2. Nhieät ñieän trôû. 143 3.3. Caûm bieán nhieät duøng tieáp giaùp P-N baùn daãn. 144 § 4 CHUYEÅN ÑOÅI HOÙA ÑIEÄN 145 4.1. Caûm bieán ñieän trôû dung dòch. 145 4.2. Caûm bieán suaát ñieän ñoäng ganvanic 146 4.2.1.Khaùi nieäm veà ñoä pH 146 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 6 - 4.2.2.Ñieän theá ñieän cöïc 146 4.2.3.Caûm bieán suaát ñieän ñoäng Galoa 147 § 5 . CHUYEÅN ÑOÅI QUANG ÑIEÄN 148 5.1. Teá baøo quang ñieän. 148 5.2. Quang trôû 149 5.3. Pin quang ñieän 150 5.4. Photo diode 150 5.4.1.Cheá ñoä photo-ganvanic (hình 5-24, b) 151 5.4.2. Cheá ñoä photo diode (hình 5-24, c). 151 5.5. Photo transistor 152 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 154 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 7 - LÔØI NOÙI ÑAÀU Giaùo trình “Kyõõ thuaät ño löôøng ñieän – ñieän töû” nhaèm cung caáp cho hoïc sinh nhöõng kieán thöùc cô baûn veà phöông phaùp vaø kyõ thuaät ño löôøng caùc ñaïi löôïng vaät lyù; phöông phaùp vaø kyõ thuaät xaây döïng moät heä ño töø ñôn giaûn ñeán phöùc taïp; xöû lyù keát quaû ño löôøng; khaûo saùt vaø thieát keá caùc maïch ño ñieän, ñieän töû ñeå ño caùc ñaïi löôïng ñieän; Caùc thieát bò quan saùt vaø ghi daïng tín hieäu; Phöông phaùp ño caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän baèng phöông phaùp ñieän. Taøi lieäu ñöôïc chia laøm 5 chöông: Chöông 1. Toång quan veà kyõ thuaät ño löôøng Chöông 2. Ño caùc ñaïi löôïng ñieän Chöông 3. Quan saùt vaø ghi daïng tín hieäu Chöông 4. Maùy taïo soùng ño löôøng. Chöông 5. Ño caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän Yeâu caàu ñoái vôùi hoïc sinh sau khi hoïc xong hoïc phaàn: “kyõ thuaät ño löôøng ñieän – ñieän töû” phaûi bieát söû duïng thaønh thaïo caùc duïng cuï ño vaø thieát bò ño ñieän töû quan troïng nhaát trong thöïc nghieäm vaät lyù. Coù ñöôïc kyõ naêng phaân tích vaø thieát keá caùc maïch ño ñôn giaûn, töø ñoù coù cô sôû ñeå phaân tích vaø thieát keá caùc maïch ño vaø caùc heä thoáng ño löôøng phöùc taïp. Giaùo trình laø taøi lieäu hoïc taäp vaø tham khaûo cho sinh vieân vaät lyù chuyeân ngaønh vaät lyù kyõ thuaät. Ñaø Laït 2002 TS. LÖU THEÁ VINH Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 8 - CHÖÔNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG §1. NHỮNG KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN 1.1. Khaùi nieäm veà ño löôøng: Trong Vaät lyù hoïc, caùc ñònh luaät vaät lyù phaûn aùnh moái quan heä mang tính quy luaät giöõa caùc hieän töôïng cuûa töï nhieân, chuùng ñöôïc bieåu dieãn baèng caùc coâng thöùc toaùn hoïc thoâng qua caùc ñaïi löôïng vaät lyù. Caùc ñaïi löôïng vaät lyù ñaëc tröng cho nhöõng tính chaát khaùc nhau cuûa caùc vaät theå, cuõng nhö caùc hieän töôïng xaûy ra theo thôøi gian. Vieäc ñaùnh giaù ñònh löôïng tính chaát cuûa caùc vaät theå (ñoái töôïng) nghieân cöùu ñöôïc thöïc hieän baèng caùch ño caùc ñaïi löôïng vaät lyù. Quaù trình ño löôøng laø moät thöïc nghieäm vaät lyù, thöïc hieän pheùp so saùnh ñaïi löôïng vaät lyù ñoù vôùi moät ñaïi löôïng cuøng loaïi choïn laøm ñôn vò. Pheùp ño ñoâi khi chæ laø moät thöïc nghieäm ñôn giaûn, nhöng ñoâi khi heát söùc phöùc taïp. Keát quaû cuûa pheùp ño luoân coù theå bieåu dieãn döôùi daïng moät con soá vôùi ñôn vò keøm theo. Phöông trình cuûa pheùp ño coù theå vieát döôùi daïng (1.1) X A = (1.1) Y Trong ñoù: X - Ñaïi löôïng ño Y - Ñôn vò ño A - Giaù trò baèng soá. Hay : X = A.Y ; Giaù trò ñaïi löôïng ño seõ baèng A laàn ñôn vò ño. Nhö vaäy ta coù theå ñònh nghóa: Ño moät ñaïi löôïng vaät lyù laø quaù trình ñaùnh giaù ñònh löôïng ñaïi löôïng ño ñeå coù keát quaû baèng soá so vôùi ñôn vò. 1.2. Ñôn vò, heä ñôn vò ño löôøng. Ñeå bieåu dieãn caùc ñaïi löôïng vaät lyù döôùi daïng moät con soá, phaûi choïn “côõ” cho noù, nghóa laø löôïng hoùa noù, ta phaûi choïn ñôn vò ño. Veà maët nguyeân taéc, theo (1.1) ta coù theå choïn ñôn vò laø moät löôïng tuøy yù. Tuy nhieân giaù trò cuûa noù phaûi phuø hôïp vôùi thöïc teá vaø tieän lôïi khi söû duïng. Naêm 1832, nhaø toaùn hoïc Ñöùc K. Gauss ñaõ chæ ra raèng, neáu nhö choïn 3 ñôn vò ñoäc laäp ñeå ño chieàu daøi (L), khoái löôïng (M), thôøi gian (T) - thì treân cô sôû 3 ñaïi löôïng naøy nhôø caùc ñònh luaät vaät lyù, coù theå thieát laäp ñöôïc ñôn vò ño cuûa taát caû caùc ñaïi löôïng vaät lyù. Taäp hôïp caùc ñôn vò ño theo nguyeân taéc Gauss ñaõ ñöa ra hôïp thaønh heä ñôn vò ño. Nhöõng ñôn vò ño ñöôïc choïn moät caùch ñoäc laäp vaø chuùng theå hieän nhöõng tính chaát cô baûn cuûa theá giôùi vaät chaát (khoái löôïng, thôøi gian, ñoä daøi, ) ñöôïc goïi laø nhöõng ñôn vò cô baûn. Caùc ñôn vò ñöôïc thaønh laäp treân cô sôû caùc ñôn vò cô baûn nhôø caùc coâng thöùc bieåu dieãn caùc ñònh luaät vaät lyù ñöôïc goïi laø caùc ñôn vò daãn suaát. Phaàn lôùn caùc ñôn Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 9 - vò trong vaät lyù laø ñôn vò daãn suaát. Phöông trình bieåu dieãn moái lieân heä giöõa caùc ñôn vò daãn suaát vaø caùc ñôn vò cô baûn goïi laø coâng thöùc thöù nguyeân. Ñôn vò cuûa moät ñaïi löôïng cô baát kyø coù theå bieåu dieãn qua phöông trình thöù nguyeân (1.2) dim X = Lp Mq Tr (1.2) (dim = dimension) Ví duï, thöù nguyeân cuûa vaän toác ñöôïc bieåu dieãn qua coâng thöùc v = l/t : [l] L []v = = = LT - 1 (1.3) []t T * Heä SI ( System International). Naêm 1960, UÛy ban quoác teá veà ño löôøng ñaõ chính thöùc thoâng qua heä ñôn vò quoác teá SI. Trong heä SI coù 7 ñôn vò cô baûn, 2 ñôn vò boå trôï, 27 ñôn vò daãn suaát * Caùc ñôn vò cô baûn laø : - Chieàu daøi : meùt (m) - Khoái löôïng : kiloâgram (kg) - Thôøi gian : giaây (s) - Nhieät ñoä : ñoä kelvin (oK) - Cöôøng ñoä doøng ñieän : Ampe (A) - Cuôøng ñoä saùng : candela (neán) (Cd) - Khoái löôïng phaân töû gam : mol * Hai ñôn vò boå trôï laø: - Ñôn vò ño goùc phaúng : radian (rad) - Ñôn vò ño goùc khoái : steradian (sr) Ngoaøi heä SI (coøn goïi laø heä MKS hay heä meùt), caùc nöôùc Anh, Myõ vaø moät soá nöôùc noùi tieáng Anh duøng phoå bieán heä UK . §2. PHÖÔNG PHAÙP THIEÁT BÒ ÑO Ño löôøng laø quaù trình so saùnh ñaïi löôïng ño vôùi ñôn vò. Pheùp ño phaûi thöïc hieän 3 thao taùc chính: - Bieán ñoåi tín hieäu vaø tin töùc - So saùnh ñaïi löôïng ño vôùi ñôn vò (hay vôùi maãu) - Chæ baùo keát quaû Thieát bò cho pheùp thöïc hieän quaù trình so saùnh ñaïi löôïng ño vôùi ñôn vò (hay vôùi maãu) goïi laø duïng cuï ño. Sô ñoà caáu truùc cuûa moät duïng cuï ño bao goàm 3 khoái chöùc naêng cô baûn : maïch ño, cô caáu ño vaø khoái chæ thò (hình 1-1). MAÏCH ÑO CÔ CAÁU ÑO CHÆ THÒ Hình 1-1 Tuøy thuoäc vaøo yeâu caàu kyõ thuaät cuõng nhö caùch thöùc toå chöùc caùc thieát bò ño maø ta coù caùc phöông phaùp ño khaùc nhau. Ñeå coù keát quaû baèng soá so vôùi ñôn vò, thieát bò ño phaûi thöïc hieän moät pheùp so saùnh. Neáu vieäc so saùnh vôùi ñôn vò thoâng qua quaù trình Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 10 - khaéc ñoä thieát bò seõ taïo neân heä thoáng ño bieán ñoåi thaúng. Neáu laø so saùnh vôùi maãu hay vôùi ñaïi löôïng buø ta coù heä thoáng ño kieåu so saùnh hay kieåu buø. Treân hình 1-2 laø baûng CAÙC HEÄ THOÁNG ÑO Heä thoáng ño Heä thoáng ño bieán ñoåi thaúng so saùnh Vaøo ra cuøng Vaøo n chieàu Vaøo n chieàu soá chieàu ra 1 chieàu ra m chieàu soá xung ngöôïc m. hoùa th. gian Phöông phaùp Phöông phaùp taàn soá - xung Phöông phaùp Phöông phaùp Phöông phaùp truøng phuøng SS caân baèng ñeám xung PP maõ hoùa PP maõ hoùa PP maõ hoùa soá xung SS vi sai phaân loaïi caùc heä thoáng ño löôøng. Hình 1-2. Caùc heä thoáng ño löôøng cô baûn Thieát bò ño laø moät heä thoáng trong ñoù ñaïi löôïng ño laø löôïng vaøo, löôïng ra laø ñaïi löôïng chæ thò treân thang ñoä (thieát bò ño Analog - loaïi taùc ñoäng lieân tuïc) hoaëc moät con soá keøm ñôn vò ño (thieát bò ño Digital - loaïi chæ thò soá). 2.1. Heä thoáng ño kieåu bieán ñoåi thaúng. Heä thoáng ño bieán ñoåi thaúng thöïc hieän theo nguyeân taéc (1.4) Y = SX (1.4) ÔÛ ñaây, X laø löôïng vaøo, qua caùc khaâu bieán ñoåi trung gian thaønh ñaïi löôïng ra Y, coøn S laø toaùn töû theå hieän caáu truùc cuûa thieát bò ño. Neáu caùc khaâu bieán ñoåi laø noái tieáp, ta coù theå bieåu dieãn (1.4) thaønh: Y = Tn . T n - 1 T 1 .X (1.5) Trong ñoù: T n T 1 laø haøm truyeàn ñaït cuûa töøng khaâu bieán ñoåi (hình 1-3). X Y T12T Tn Hình 1-3 Caên cöù vaøo veùc tô löôïng vaøo vaø veùc tô löôïng ra ta coù caùc heä thoáng sau : Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 11 - 2.1.1. Veùc tô löôïng vaøo vaø veùc tô löôïng ra coù cuøng soá chieàu (n). Caùc keânh bieán ñoåi khoâng lieân quan nhau (ma traän bieán ñoåi S laø cheùo), ta coù heä thoáng ño keânh bieán ñoåi ñoäc laäp (hình 1-4). 21.2. Veùc tô löôïng vaøo n chieàu, veùc tô löôïng ra 1 chieàu. Heä thoáng naøy cho pheùp xaùc ñònh moät ñaïi löôïng coù lieân quan tôùi nhieàu ñaïi löôïng vaøo theo moät quan heä xaùc ñònh, ta coù heä thoáng ño kieåu giaùn tieáp (hình 1-5). X X 1 Y1 1 S Y S0 (n,1) X X n Yn n Hình Hình 2.1.3. Veùc tô löôïng vaøo n chieàu, veùc tô löôïng ra m chieàu. Heä thoáng ño laø moät moâ hình giaûi moät heä phöông trình. Ta coù heä thoáng ño hôïp boä (hình 1-6). Trong heä thoáng naøy keát quaû ño seõ ñöôïc ñöa ra cuøng moät luùc vôùi nhau khi giaûi heä phöông trình treân. X1 Y1 S (n,m) Y Xn m Hình 2.2. Heä thoáng ño kieåu so saùnh. Trong heä thoáng ño kieåu so saùnh, ñaïi löôïng ño X ñöôïc bieán ñoåi thaønh ñaïi löôïng trung gian YX qua moät pheùp bieán ñoåi T: YX = T.X Sau ñoù YX ñöôïc so saùnh vôùi ñaïi buø YK thöïc hieän thoâng qua moät maïch tröø (hình 1-7): YX – YK = ∆Y X Yx T1 Y SS Y k Hình 1-7 Caên cöù vaøo caùch thöïc hieän thao taùc so saùnh, ta coù caùc phöông phaùp ño khaùc nhau: - Phöông phaùp so saùnh caân baèng Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 12 - - Phöông phaùp so saùnh vi sai - Phöông phaùp maõ hoùa thôøi gian - Phöông phaùp maõ hoùa taàn soá xung - Phöông phaùp maõ hoùa soá xung - Phöông phaùp maõ hoùa soá xung ngöôïc - Phöông phaùp ñeám xung - Phöông phaùp truøng phuøng. 2 .2.1 Phöông phaùp so saùnh caân baèng. Trong phöông phaùp naøy, ñaïi löôïng vaøo so saùnh YX = const, ñaïi löôïng buø YK = const. Pheùp so saùnh thöïc hieän ∆Y = YX – YK = 0, vaø YX = YK (hình 1-8). YX YK YX ∆Y S YK a) b) Hình 1-8 2.2.2. . Phöông phaùp so saùnh vi sai. Trong phöông phaùp naøy, ñaïi löôïng vaøo so saùnh YX = const, ñaïi löôïng buø YK = const. Ñoä sai khaùc giöõa 2 ñaïi löôïng raát nhoû nhöng ∆Y = YX – YK ≠ 0 (hình 1-9). YX ∆Y YX S ∆Y≠ 0 YK YK a) b) Hình 1-9 2.2.3. Phöông phaùp maõ hoùa thôøi gian. Trong phöông phaùp naøy thì Yx = const, coøn ñaïi löôïng buø Yk laø moät löôïng tæ leä vôùi thôøi gian: Yk = Y0t. Taïi thôøi ñieåm tx xaûy ra caân baèng : Yk = Y0tx = Yx. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 13 - YX t X = (1-6) Y0 Nhö vaäy ñaïi löôïng ño Yx ñaõ ñöôïc bieán ra khoaûng thôøi gian tx . Pheùp so saùnh thöïc hieän moät boä ngöôõng (hình 1-10): ⎧1 khi YX − YK > 0 ∆Y = Sign(YX – YK) = ⎨ (1-7) ⎩0 khi YX − YK ≤ 0 YK YX YX ∆Y YK t a) b) X Hình 1-10 2.2.4. Phöông phaùp maõ hoùa taàn soá xung. Trong phöông phaùp naøy ñaïi löôïng YX tæ leä vôùi thôøi gian vaø löôïng vaøo X: YX = X t, coøn ñaïi löôïng buø YK = Y0 = const . Ngöôõng so saùnh: ∆Y = Sign (YX – YK). Luùc caân baèng ta coù: YK = X tX Y t = K , X X 1 X Hay f X = = (1-8) t X YK Nhö vaäy ñaïïi löôïng ño X ñöôïc bieán ñoåi ra taàn soá f X (hình 1-11) YX ∆Y YX YK=Y0 YK t a) b) X Hình 1-11 2.2.5. Phöông phaùp maõ hoùa soá xung. Trong phöông phaùp naøy ñaïi löôïng YX = const, coøn ñaïi löôïng buø YK laø moät haøm baäc thang ñeàu: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 14 - n YK = Y0 ∑1 ()t − iτ (1-9) 0 Ngöôõng so saùnh cuõng coù daïng: ∆Y = Sign (YX – YK). (1-10) YX vaø YK seõ caân baèng nhau sau n xung böôùc nhaûy (H. 1-12): Y n = X (1-11) Y0 YX ∆Y YX YK YK Y0 n a) b) Hình 1-12 2.2.6. Phöông phaùp maõ hoùa soá xung ngöôïc. Trong tröôøng hôïp naøy ñaïi löôïng buø YK = const, coøn löôïng vaøo so saùnh ñöôïc bieán ñoåi thaønh moät haøm baäc thang: n YX = Y0 ∑1 ()t − iτ (1-12) 0 Ngöôõng so saùnh: ∆Y = Sign (YX – YK). YX vaø YK seõ caân baèng nhau sau n xung böôùc nhaûy: Y n = K (1-13) Y0 2.2.7. Phöông phaùp ñeám xung Trong phöông phaùp naøy ñaïi löôïng vaøo so saùnh coù daïng laø moät daõy xung heïp: n YX = Y0 ∑δ ()t − iT (1-14) 0 vaø YK = Y0 = const trong khoaûng thôøi gian (t1,t2). Boä so saùnh laø moät boä ngöôõng toång ∆Y = Sign (YX + YK), ta coù phöông phaùp ñeám xung hay pheùp so saùnh khoaûng thôøi gian (t1, t2) vôùi khoaûng thôøi gian T (H. 1-13). t − t n = 2 1 (1-15) T Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 15 - YK YX ∆Y t1 t2 t Σ YX YK t a) b) Hình 1-13 2.2.8. Phöông phaùp truøng phuøng. Phöông phaùp truøng phuøng thöôøng ñöôïc duøng ñeå ño caùc khoaûng thôøi gian nhoû, hoaëc caùc khoaûng di chuyeån nhoû. Trong phöông phaùp naøy ñaïi löôïng vaøo so saùnh laø moät daõy xung heïp: n YX = Y0 ∑δ ()t − iT1 (1-16) 0 Ñaïi löôïng buø cuõng coù daïng laø moät daõy xung heïp: n YK = Y0 ∑δ ()t − iT2 (1-17) 0 Boä so saùnh laø moät boä ngöôõng toång ∆Y = sign (YX + YK) (hình 1-14). Thôøi gian laëp laïi truøng phuøng ñöôïc xaùc ñònh töø heä thöùc: T T T = 1 2 (1-18) T2 − T1 YX T1 YX ∆Y Σ t YK T2 YK t a) b) Hình 1-14 § 3. CHÆ THÒ KEÁT QUAÛ ÑO LÖÔØNG Keát quaû ño löôøng ñöôïc theå hieän treân boä phaän chæ thò cuûa duïng cuï ño. Tuøy thuoäc vaøo cô caáu ño vaø nguyeân lyù taùc duïng cuûa thieát bò ño maø boä phaän chæ thò ñöôïc theå hieän döôùi daïng töông töï hoaëc daïng soá. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 16 - 3.1. Chæ thò daïng töông töï. Caùc duïng cuï ño töông töï thöôøng bieåu dieãn giaù trò cuûa ñaïi löôïng ño theo goùc leäch cuûa kim chæ thò treân thang ñoä. Vieäc khaéc ñoä thang ño cuûa duïng cuï phuï thuoäc vaøo cô caáu ño (xem baûng 1-1) vaø phöông trình ñaëc tính cuûa thang ño töông öùng. Thang ñoä laø ñeàu neáu haøm truyeàn ñaït theå hieän ñaëc tính cuûa thang ño laø tuyeán tính (ñoái vôùi haàu heát caùc thang ñoä ño ñieän aùp, ño doøng ñieän), vaø thang ñoä khoâng ñeàu neáu haøm truyeàn ñaït laø phi tuyeán (chaúng haïn thang ñoä ño ñieän trôû). Hieän nay trong caùc duïng cuï ño cô ñieän thì cô caáu ño töø ñieän ñöôïc duøng phoå bieán do nhöõng öu ñieåm noåi baät veà ñoä nhaïy vaø ñoä chính xaùc cao; thang ño ñeàu vaø tieâu thuï naêng löôïng ít. Cô caáu töø ñieän ñöôïc duøng trong caùc caàu ño, trong caùc ñieän theá keá chæ thò khoâng. Keát hôïp vôùi caùc maïch chænh löu vaø caùc maïch ñieän töû boå trôï cô caáu töø ñieän ñöôïc duøng nhö moät cô caáu chæ thò vaïn naêng. Sô ñoà caáu truùc cuûa moät cô caáu ño töø ñieän ñöïôïc trình baøy treân hình 1-15 a, b. Caáu taïo cuûa cô caáu ño ñöôïc hình thaønh töø caùc chi tieát chính sau: – Nam chaâm vónh cöûu 1 vôùi cöïc töø 2 taïo ra moät khe töø hình truï; – Khung daây 4 quaán treân loõi saét non 3; – Kim chæ thò 5 gaén chaët vôùi truïc cuûa khung daây coù ñoái troïng 6; – Sun töø 7 ñeå ñieàu chænh maïch töø. Khi khung daây coù doøng ñieän chaïy qua, döôùi taùc duïng cuûa töø tröôøng trong khe leân doøng ñieän trong khung seõ phaùt sinh löïc töø F vaø hình thaønh moâmen quay: M = BSWI (1-19) Trong ñoù B – ñoä lôùn caûm öùng töø trong khe; S – ñieän tích khung daây; W – soá voøng daây; I – cöôøng ñoä doøng ñieän chaïy trong khung daây. a) b) Hình 1-15. Cô caáu ño töø ñieän. 1– Nam chaâm cónh cöûu; 2 – Cöïc töø; 3 – Loõi saét non; 4 – Khung daây; 5 – Kim chæ thò: 6 – Ñoái troïng; 7 – Sun töø. Döôùi taùc duïng cuûa moâmen quay M khung daây coù gaén truïc quay vaø kim chæ thò seõ leäch ñi moät goùc α (xem hình 1-15,b) ñöôïc xaùc ñònh töø heä thöùc: M = MC = K α Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 17 - Trong ñoù MC laø moâmen caûn; K laø heä soá phuï thuoäc vaøo tính chaát ñaøn hoài cuûa loø xo xoaén. Moâmen caûn phuï thuoäc tuyeán tính vaøo goùc leäch phaàn ñoäng. Khi caân baèng giöõa moâmen quay vaø moâmen caûn kim chæ thò seõ döøng laïi ôû vò trí goùc leäch α: Kα = BSWI (1-20) BSWI Hay α = = GI (1-21) K Trong ñoù G ñöôïc goïi laø ñoä nhaïy cuûa cô caáu ño. Coâng thöùc (1-21) cho thaáy goùc leäch α tæ leä vôùi doøng ñieän ñi vaøo cô caáu ño. Haøm truyeàn ñaït cuûa cô caáu ño laø tuyeán tính, do ñoù duïng cuï seõ coù thang ño tuyeán tính. Trong caùc ñieän keá töø ñieän, ñeå taêng ñoä nhaïy vaø ñoä chính xaùc cuûa pheùp ño, khung daây phaàn ñoäng 1 (xem hình 1-16, a) ñöôïc gaén baèng daây treo 2, goùc leäch phaàn ñoäng ñöôïc chæ thò treân thang ñoä baèng aùnh saùng phaûn chieáu treân göông 3 gaén vôùi daây treo nhôø moät heä thoáng quang hoïc (hình 1-16, b). 2 3 1 N S 3 a) b) Hình 1-16. Chæ thò baèng aùnh saùng nhôø heä thoáng quang hoïc 3.2. Chæ thò daïng soá. Ñeå coù theå deã daøng ñoïc keát quaû ño ngöôøi ta ñaõ söû duïng caùc boä chæ thò soá ñeå hieån thò keát quaû ño löôøng. Coù nhieàu caùch khaùc nhau ñeå toå chöùc boä chæ thò soá: – Chæ thò soá daïng cô ñieän: duøng ñeøn neon hoaëc ñeøn ñoát tim ñeå chieáu saùng moät baûng panel coù khaéc caùc chöõ soá. – Duøng ñeøn cathode laïnh. Trong ñeøn naøy chöùa ñaày khí neon, coù 1 anode chung vaø 10 cathode rieâng reõ. Caùc cathode ñöôïc uoán thaønh hình caùc chöõ soá aû raäp töø 0 ñeán 9. Khi xuaát hieän ñieän aùp giöõa anode vaø moät cathode naøo ñoù do boä giaûi maõ ñöa tôùi thì seõ xaûy ra söï phoùng ñieän giöõa chuùng vaø gaây ra quaù trình ion hoùa do va chaïm. Caùc nguyeân töû bò ion hoùa do maát electron neân tích ñieän döông vaø ñöôïc ñieän tröôøng gia toác chuyeån ñoäng veà phía cathode, khi ñaäp vaøo cathode chuùng laøm phaùt xaï ra caùc electron thöù caáp, caùc electron thöù caáp naøy laïi tieáp tuïc gaây ion hoùa vaø taùi hôïp trôû laïi vôùi caùc ion ñöông. Quaù trình taùi hôïp giaûi phoùng ra naêng löôïng döôùi daïng aùnh saùng vaø quanh cathode naøo ñöôïc kích hoaït seõ saùng leân hieän hình chöõ soá töông öùng. Caáu taïo cuûa moät trong caùc loïai ñeøn naøy nhö treân hình 1-17 vaø sô ñoà maéc maïch chæ thò baèng maïch baùn daãn chæ ra treân hình 1-18. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 18 - Hình 1-17. Caáu taïo vaø kyù hieäu ñeøn hieän soá cathode laïnh R +V Ñeøn cathode laïnh R1 R2 1 T1 R3 2 T2 R4 3 T3 R5 4 T4 R6 5 T5 R7 6 T6 R8 7 T7 R9 8 T8 R10 9 T9 10 T10 -V Hình 1-18. Maïch chæ thò baèng ñeøn cathode laïnh – Boä chæ thò soá laø moät heä thoáng caùc khe chieáu saùng. Moãi chöõ soá ñöôïc caáu taïo töø toå hôïp caùc khe. Thoâng thöôøng heä thoáng naøy goàm 7 hoaëc 9 khe. Khi caùc boä chæ thò caàn kích thöôùc lôùn thì caùc khe naøy ñöôïc chieáu saùng nhôø caùc ñeøn ñoát tim hoaëc ñeøn neon (caùc boä chæ baùo giôø vaø nhieät ñoä taïi caùc nôi coâng coäng, chæ thò quang baùo treân caùc baûng panel lôùn, v.v ). – Vôùi caùc boä chæ thò vöøa vaø nhoû thöôøng duøng caùc diode quang (LED) ñeå chieáu saùng vaø thöôøng ñöôïc cheá taïo coâng nghieäp döôùi daïng thöông phaåm. Chaúng haïn moät soá boä chæ thò soá duøng caùc ñeøn LED 7 ñoaïn hoï FND350, FND357, FND360, FND367 (hình 1-19, a). – Ñeå chæ thò daáu (+) vaø daáu (–) duøng caùc ñeøn hoï FND501, FND531, FND541, FND551, FND561(H. 1-19, b). Treân thò tröôøng coù caû loaïi ñeøn keùp cho pheùp söû duïng ñeå chæ thò hai soá treân moät ñeøn nhö hoï FND6710, FND6740 (H. 1-19,c). Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 19 - – Boä chæ thò soá duøng ñeøn tinh theå loûng (Liquid Crystal Display - LCD) 7 ñoaïn cuõng boá trí töông töï nhö caùc boä chæ thò LED 7 ñoaïn. ÔÛ ñaây moãi ñoaïn ñöôïc thay baèng moät oâ tinh theå loûng. Maët caét cuûa oâ tinh theå loûng kieåu hieäu öùng tröôøng ñöôïc minh hoïa treân hình 1-20, a. Tinh theå loûng ñöôïc ñaët thaønh lôùp giöõa 2 beà maët thuûy tinh vaø caùc ñieän cöïc trong suoát keát tuûa ôû maët trong. Moät ñieän theá xoay chieàu ñöôïc aùp vaøo giöõa ñoaïn (ñaõ phuû kim loaïi) caàn hieån thò vaø maët phoâng (Back Plane). Khi khoâng coù hieäu ñieän theá taùc ñoäng thì ñoaïn phuû kim loaïi phaûn xaï aùnh saùng tôùi, ñoàng thôøi do tinh theå loûng trong suoát neân aùnh saùng cuõng phaûn xaï töø maët phoâng laøm ñoaïn bò hoøa laãn vaøo neàn phoâng, ta chæ thaáy toaøn maët cuûa boä hieån thò moät maøu saùng baïc yeáu. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 20 - PIN FND350/357/360/367 1 Common-Cathode 2 Segment F 3 Segment G 4 Segment E 5 Segment D 6 Common-Cathode 7 Decimal Point 8 Segment C 9 Segment B 10 Segment A a) PIN FND501/531/541/551/561 1 Minus 2 Cathode ± 3 Segment C 4 Cathode 1/DP 5 Decimal Point 6 Segment B 7 Cathode 1/DP 8 Cathode ± 9 Plus NC b) PIN PND6710 FND6740 1 E Cath. Digit 1 C Cath. Digit 1 2 D Cath. Digit 1 D Cath. Digit 1 3 C Cath. Digit 1 B Cath. Digit 1 4 DP Catb. Digit 1 DP Cath. Digit 1 5 E Cath. Digit 2 E Cath. Digit 2 6 D Cath. Digit 2 D Cath. Digit 2 7 G Cath. Digit 2 G Cath. Digit 2 8 C Cath. Digit 2 C Cath. Digit 2 9 DP Cath. Digit 2 DP Cath. Digit 2 1 0 B Cath. Digit 2 B Cath. Digit 2 11 A Cath. Digit 2 A Cath. Digit 2 c) 12 F Cath. Digit 2 F Cath. Digit 2 13 Digit 2 Anode Digit 2 Anode 14 Digit 1 Anode Digit 1 Anode 15 B Cath. Digit 1 A Cath. Digit 1 16 A Cath. Digit 1 NC 17 G Cath. Digit 1 NC 18 F Cath Digit 1 NC Hình 1-19. Moät vaøi daïng ñeøn hieän soá duøng diode quang Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 21 - Khi coù hieäu ñieän theá taùc ñoäng, ñieän tröôøng giöõa ñoaïn vaø maët phoâng laøm thay ñoåi tính chaát quang hoïc cuûa tinh theå (phaù vôõ söï saép xeáp traät töï cuûa caùc phaân töû trong tinh theå) laøm cho chaát loûng giöõa ñoaïn vaø maët phoâng khoâng coøn trong suoát nöõa. Luùc naøy aùnh saùng khoâng phaûn xaï ñöôïc töø maët phoâng ôû vuøng töông öùng vôùi ñoaïn, keát quaû oâ ñöôïc kích hoaït trong boä hieän soá seõ noåi (ñen) leân treân neàn phoâng cuûa chuùng. a) b) Hình 1-20. Caáu taïo oâ tinh theå loûng vaø ñeøn hieän soá 7 ñoaïn. Vì caùc oâ tinh theå loûng chæ laø vaät phaûn xaï hoaëc truyeàn xaï chöù khoâng phaûi vaät phaùt aùnh saùng neân chuùng tieâu toán raát ít naêng löôïng. Doøng toaøn phaàn cho 4 boä hieän soá 7 ñoaïn nhoû chæ vaøo khoaûng 300µA, nhôø vaäy maø boä chæ thò soá duøng ñeøn tinh theå loûng raát höõu ích trong caùc thieát bò ño löôøng kích thöôùc nhoû. Treân hình 1-21 laø hình daïng vaø sô ñoà chaân cuûa vaøi loaïi moâ ñun LCD ñieån hình. a) b) Hình 1-21 Thoâng thöôøng caùc boä chæ thò duøng tinh theå loûng söû duïng nguoàn ñieän aùp coù daïng laø caùc xung vuoâng taàn soá 60Hz, coù bieân ñoä ñænh – ñænh VPP = 3÷8V. Coù loaïi LCD raát nhaïy, coù theå laøm vieäc töø 1,5Vrms. Thôøi gian ñoùng môû tín hieäu ñieàu khieån khoaûng 300ms. Ñieän aùp moät chieàu cao nhaát cho pheùp laø 100mV, neáu lôùn hôn 100mV 0caùc ñieän cöïc trong suoát baèng baèng oxyt keõm coù theå bò khöû vaø ñieän cöïc bò toái ñi. Cuõng nhö trong caùc ñeøn LED 7 ñoaïn, trong caùc boä chæ thò soá duøng LCD moät ñaàu ra cuûa moãi oâ ñöôïc noái chung, ôû ñaây khoâng phaân bieät anode vaø cathode nhö trong LED; ñaàu ra chung ñöôïc goïi laø maët phoâng (H. 1-20, b). Ngoaøi caùc LCD ñöôïc ñieàu khieån tröïc tieáp, moãi ñoaïn cuûa LCD ñöôïc noái vôùi maïch ñieàu khieån (H. 1-21,a) coøn coù loaïi LCD ñöôïc ñieàu khieån theo phöông phaùp multiplex (H. 1-21, b). Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 22 - 3.3. Chæ thò baèng ñeøn oáng tia aâm cöïc . Trong caùc thieát bò quan saùt vaø ghi daïng tín hieäu, boä phaän chæ thò thöôøng duøng ñeøn oáng tia aâm cöïc (CRT - Cathode Ray Tube). Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa CRT laø duøng ñieän tröôøng ñeå ñieàu khieån ñöôøng ñi cuûa moät chuøm electron ñöôïc phoùng ra töø suùng ñieän töû vaø cho höôùng leân maøn huyønh quang ñeå veõ dao ñoäng ñoà cuûa tín hieäu caàn nghieân cöùu. Treân hình 1-225 laø sô ñoà nguyeân lyù cuûa ñeøn oáng tia aâm cöïc CRT. Hình 1-22. Nguyeân lyù caáu taïo cuûa ñeøn oáng tia aâm cöïc (CRT) 3.3.1. Suùng ñieän töû. Suùng ñieän töû coù nhieäm vuï taïo ra moät chuøm tia ñieän töû nhoû, coù naêng löôïng cao baén tôùi maøn huyønh quang ñeå gaây taùc duïng phaùt saùng. Suùng ñieän töû ñöôïc caáu taïo töø catoát, löôùi ñieàu cheá vaø caùc anoát. Catoát thöôøng ñöôïc laøm töø niken ñöôïc ñoát noùng giaùn tieáp nhôø sôïi ñoát baèng nguoàn xoay chieàu 6,3V. Cöïc löôùi cuõng laøm baèng niken coù daïng hình truï bao boïc laáy catoát. Nhôø ñieän aùp phaân cöïc treân catoát vaø caùc anoát maø chuøm ñieän töû phaùt xaï töø catoát sau khi ñöôïc ñieàu tieát bôûi löôùi ñieàu cheá ñöôïc tieâu tuï vaø gia toác seõ coù ñuû naêng löôïng vaø ñoä tuï cao phoùng thaúng veà maøn huyønh quang. 3.3.2. Heä thoáng ñieàu tieâu. Caùc anoát A1, A2, A3 taïo ra moät heä thoáng coù taùc duïng nhö moät thaáu kính ñieän töû. Chöùc naêng cuûa chuùng laø ñieàu tieâu chuøm tia ñieän töû töø catoát tôùi. Treân hình 1-23 chæ ra caùc möùc theá phaân cöïc cho catoát, löôùi vaø caùc anoát. Catoát A1 taïo ra tröôøng hoäi tuï vaø gia toác sô boä chuøm tia ñieän töû. Do A1 vaø A3 ñöôïc giöõ ôû theá ñaát, trong khi theá A2 ñieàu chænh quanh –2kV, keát quaû söï phaân boá caùc ñöôøng ñaúng theá giöõa caùc anoát coù daïng nhö treân hình 1-23. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 23 - Hình 1-23. Hình dang phaânboá ñieän theá giöõa Caùc electron khi ñi qua A1 nhö moät chuøm phaân kyø, khi caét ngang caùc ñöôøng ñaúng theá chuùng chòu löïc taùc duïng cuûa ñieän tröôøng theo höôùng vuoâng goùc vôùi caùc ñöôøng ñaúng theá. Hình daïng caùc ñöôøng ñaúng theá cuûa A1 taïo neân löïc hoäi tuï, coøn A3 taïo ra löïc phaân kyø ñoái vôùi chuøm electron (xem hình 1-23). Coù theå thay ñoåi caùc löïc naøy nhôø ñieàu chænh theá phaân cöïc cho A2, theá naøy ñieàu chænh ñieåm ñieàu tieâu cuûa chuøm neân A2 ñoâi khi coøn goïi laø vaønh hoäi tuï. 3.3.3. Heä thoáng laùi tia ñieän töû. Chuøm tia electron töø suùng ñieän töû phoùng ra ñöôïc ñieàu khieån bôûi heä thoáng laùi chuøm tia tröôùc khi ñi tôùi maøn huyønh quang. Heä thoáng bao goàm hai caëp phieán laùi tia: caëp phieán leäch ñöùng vaø caëp phieán leäch ngang ñaët vuoâng goùc vôùi nhau thöôøng goïi taét laø caëp phieán YY vaø XX (hình 1-24). Neáu treân moät caëp phieán leäch ñaët moät hieäu ñieän theá, thì giöõa chuùng seõ toàn taïi moät ñieän tröôøng. Khi electron bay vaøo vuøng khoâng gian giöõa hai baûn seõ chòu taùc duïng löïc ñieän tröôøng laøm thay ñoåi quyõ ñaïo chuyeån ñoäng. Ñoä leäch cuûa ñieåm saùng do chuøm tia ñieän töû taïo neân treân maøn hình so vôùi vò trí ban ñaàu phuï thuoäc vaøo cöôøng ñoä ñieän tröôøng vaø thôøi gian bay cuûa ñieän töû qua khoaûng khoâng gian giöõa hai baûn. Cöôøng ñoä ñieän tröôøng caøng lôùn cuõng nhö thôøi gian bay cuûa ñieän töû caøng laâu thì ñoä leäch cuûa quyõ ñaïo caøng taêng. Cöôøng ñoä ñieän tröôøng tyû leä vôí ñieän aùp Uy ñaët vaøo caëp phieán leäch (hình 1-24), vaø tyû leä nghòch vôùi khoaûng caùch d giöõa hai phieán. Thôøi gian bay cuûa ñieän töû qua khoaûng giöõa hai phieán tyû leä vôùi ñoä daøi l cuûa phieán vaø tyû leä nghòch vôùi toác toä cuûa ñieän töû, toác ñoä cuûa ñieän töû laïi tyû leä vôùi ñieän aùp anoát A2. Nhö vaäy taêng A2 thì ñoä saùng treân maøn hình taêng, nhöng ñoàng thôøi cuõng laøm giaûm ñoä leäch cuûa tia ñieän töû. Noùi caùch khaùc laøm giaûm ñoä nhaïy cuûa oáng tia ñieän töû. Töø hình veõ ta thaáy ñoä leäch cuûa tia ñieän töû coøn phuï thuoäc vaøo L laø khoaûng caùch töø ñieåm giöõa cuûa phieán leäch ñeán maøn huyønh quang. Nhö vaäy, ta coù quan heä: U y lL y = = SUy (1-22) 2dU A2 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 24 - lL trong ñoù S = ñöôïc goïi laø ñoä nhaïy cuûa CRT, noù baèng ñoä leäch cuûa tia 2dU A2 saùng treân maøn tính ra mm khi ñaët treân phieán leäch moät hieäu ñieän theá laø 1voân. Caùc CRT thoâng thöôøng coù ñoä nhaïy töø 0,2 ÷ 1mm/V. l U Uy Hình 1-24 3.3.4. Maøn huyønh quang. Maøn hình cuûa CRT ñöôïc taïo ra baèng caùch maï moät lôùp huyønh quang baèng phoát pho ôû maët trong. Khi coù ñieän töû baén vaøo thì taïi nhöõng ñieåm ñoù seõ phaùt saùng huyønh quang. Thôøi gian phaùt saùng coù theå keùo daøi trong vaøi miligiaây, vaøi giaây, thaäm chí laâu hôn nöõa. Tuøy thuoäc vaøo vaät lieäu maø aùnh saùng huyønh quang phaùt ra coù theå coù maøu xanh lô, ñoû, xanh luïc hoaëc maøu traéng. Phoát pho söû duïng ôû maøn hình laø chaát caùch ñieän, neáu khoâng coù söï phaùt xaï thöù caáp, maøn hình seõ coù theá aâm khi caùc electron sô caáp tích tuï laïi, vaø chuùng coù theå lôùn tôùi möùc ñaåy ngöôïc chuøm electron tôùi. Ñeå trieät boû hieäu öùng naøy, treân thaønh coå oáng CRT ñöôïc phuû moät lôùp than chì ñeå thu gom vaø trung hoøa caùc electron tích tuï (xem hình 1- 22). 3.3.5. Ñieàu chænh ñoä choùi Ñoä choùi cuûa hình aûnh taïo ra treân maøn hình phuï thuoäc vaøo maät ñoä soá electron trong chuøm tia tôùi. Ñeå ñieàu chænh maät ñoä electron ngöôøi ta ñieàu chænh ñieän aùp löôùi ñieàu cheá M. Maët khaùc ñoä choùi coøn phuï thuoäc vaøo toác ñoä cuûa electron tôùi, nghóa laø chuùng phaûi ñöôïc gia toác tôùi toác ñoä khaû dó cao nhaát. Tuy nhieân neáu toác ñoä cuûa chuøm electron quaù cao thì taùc duïng cuûa ñieän aùp laøm leäch leân chuøm tia seõ giaûm khi chuùng ñi qua heä thoáng laøm leäch, vaø ñoä nhaïy laùi tia seõ keùm. Do vaäy ngöôøi ta thöôøng boá trí moät heä thoáng gia toác sau laøm leäch khi tia ñieän töû ñaõ ñi qua caùc taám laùi tia. Moät daây xoaén oác baèng chaát coù ñieän trôû cao ñöôïc cho keát tuûa beân trong phaàn loe cuûa oáng CRT. Ñieåm ñaàu noái ñaát coøn ñaàu cuoái coù ñieän theá cao tôùi +12kV, nhôø vaäy taïo ra moät ñieän tröôøng gia toác lieân tuïc chuøm electron tröôùc khi noù ñaäp vaøo maøn hình. Heä thoáng naøy ñoâi khi coøn goïi laø cöïc haäu gia toác. 3.4. Chæ thò baèng aâm thanh vaø aùnh saùng. Trong caùc thieát bò ño löôøng duøng chæ thò baèng aâm thanh thöôøng söû duïng oáng nghe vì ñaây laø loaïi chæ thò raát nhaïy coù theå phaùt hieän ñöôïc caùc doøng ñieän coù coâng suaát Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 25 - raát nhoû ñeán microâoat hay ñieän aùp raát thaáp ñeán microâvon. OÁng nghe coù ñoä nhaïy cao ôû phaïm vi taàn soá hôïp vôùi tai nghe, töùc vaøo khoaûng 800 ñeán 1200 Hz neân duøng laøm chæ thò aâm taàn raát thích hôïp. Ñoái vôùi caùc maùy ño chæ thò caân baèng (chæ thò 0) khi duøng oáng nghe laøm chæ thò coù theå ño ñaïc xaùc ñònh caùc ñaïi löôïng raát nhanh. Caùc oáng nghe duøng trong ño löôøng thöôøng coù ñieän trôû cao vaø coù caáu taïo ñeå coù ñoä nhaïy cao vôùi taàn soá vaøo khoaûng 1000Hz. Trong caùc thieát bò ño löôøng nhaèm phaùt hieän vaø chæ baùo caùc möùc ngöôõng aùp duïng trong caùc heä thoáng baûo veä, thì vieäc söû duïng caùc tín hieäu aâm thanh hoaëc aùnh saùng ñeå chæ thò laø raát coù yù nghóa veà maët caûnh baùo, tín hieäu gaây chuù yù ñeå baùo hieäu cho con ngöôøi bieát veà söï coá ñeå coù bieän phaùp khaéc phuïc. 3.5. Löu tröõ keát quaû ño löôøng. Ñeå coù theå löu tröõ keát quaû ño löôøng ngöôøi ta söû duïng nhieàu bieän phaùp khaùc nhau: Söû duïng caùc maùy ghi chuyeân duïng; thieát keá caùc heä thoáng ño coù söû duïng vi xöû lyù vaø heä thoáng nhôù treân ñóa töø; gheùp noái heä ño vôùi maùy vi tính vaø ñieàu khieån töï ñoäng. Caùc maùy ghi laø caùc thieát bò cho pheùp ghi laïi keát quaû ño dieãn bieán theo thôøi gian. Coù theå ghi baèng nhieàu caùch: 3.5.1. Ghi lieân tuïc: Thöôøng laø duøng baêng giaáy chaïy lieân tuïc vaø quaù trình dieãn bieán cuûa ñaïi löôïng ñöôïc ghi thaønh moät ñöôøng cong, vaø qua ñoù coù theå xaùc ñöôïc ñöôïc söï phuï thuoäc cuûa ñaïi löôïng theo thôøi gian. 3.5.2. Ghi giaùn ñoaïn: Vieäc ghi ñöôïc thöïc hieän theo töøng thôøi gian nhaát ñònh vaø thöôøng keát hôïp ñeå ghi nhieàu ñaïi löôïng khaùc nhau baèng moät maùy nhôø caùc boä chuyeån maïch. Keát quaû cuûa pheùp ghi coù theå laø nhöõng con soá hoaëc caùc ñöôøng chaám chaám. Coù nhieàu phöông phaùp ghi khaùc nhau: – Ghi baèng buùt ghi: laø loaïi ghi ñôn giaûn nhaát. – Ghi baèng phöông phaùp cô ñieän: Duøng phöông phaùp tia löûa ñieän ñeå ñaùnh thuûng giaáy ghi töøng luùc, hoaëc duøng phaûn öùng hoùa hoïc treân giaáy ghi. – Ghi baèng phim aûnh, giaáy aûnh. – Ghi treân baêng töø. – Ghi baèng phöông phaùp soá treân ñóa töø. – Ghi treân ñóa quang CD. v.v 4. DUÏNG CUÏ ÑO DIEÄN, SAI SOÁ, CAÁP CHÍNH XAÙC Coù nhieàu loaïi, tuøy theo nguyeân taéc thieát keá maïch vaø nguyeân lyù taùc ñoäng maø ngöôøi ta chia ra hai loaïi cô baûn laø: - Caùc duïng cuï ño töông töï (analog) - Caùc duïng cuï ño theo phöông phaùp soá (digital). Caùc duïng cuï ño töông töï thöôøng duøng chæ thò baèng kim treân maët ñoàng hoà ñieän keá. Ña soá caùc duïng cuï ño ñieän thoâng duïng laø loaïi cô ñieän, tuøy thuoäc vaøo nguyeân lyù taùc ñoäng cuûa cô caáu ño maø ngöôøi ta chia ra caùc loaïi sau : - Cô caáu ño töø ñieän (ñieän keá khung quay); - Cô caáu ño kieåu ñieän töø; - Cô caáu ño kieåu ñieän ñoäng; Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 26 - - Cô caáu ño kieåu nhieät ñieän; - Cô caáu ño tónh ñieän; - Cô caáu ño kieåu caûm öùng. . . . Treân baûng 1-1 chæ ra caùc kyù hieäu quy öôùc treân maët ñoàng hoà ño ñieän vaø yù nghóa cuûa chuùng. Baûng 1-1 Cô caáu ño kieåu töø ñieän Cô caáu hieäu chænh Cô caáu ño kieåu ñieän töø Giaù trò töø tröôøng ngoøai gaây ra sai leäch chæ soá duïng cuï Giaù trò ñieän tröôøng ngoøai gaây ra sai leäch chæ soá duïng Loâgoâmeùt töø ñieän cuï ño Ñieän aùp kieåm tra ñoä caùch ñieän 500V Loâgoâmeùt ñieän töø Ñieän aùp kieåm tra ñoä caùch Cô caáu ño kieåu ñieän ñoäng ñieän treân 500V (ï 2 kV) khoâng kieåm tra ñieän aùp Loâgoâmeùt ñieän ñoäng caùch ñieän Cô caáu ño saét ñieän ñoäng Ñaët duïng cuï thaúng ñöùng Loâgoâmeùt saét ñieän ñoäng Ñaët duïng cuï naèmg ngang Cô caáu ño kieåu nhieät ñieän Doøng moät chieàu Cô caáu ño kieåu tónh ñieän Doøng xoay chieàu Caëp nhieät ngaãu tröïc tieáp Doøng ñieän moät chieàu vaø xoay chieàu Ñònh höôùng cuûa duïng cuï Caëp nhieät ngaãu giaùn tieáp ño trong töø tröôøng traùi ñaát Caáp chính xaùc tính theo Maøn chaén tónh ñieän phaàn traêm giaù trò cuoái cuøng thang ño Caáp chính xaùc tính theo Maøn chaén töø phaàn traêm chieàu daøi thang ño Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 27 - Caùc maùy ño coù ñoä chính xaùc cao thöôøng ñöôïc laép ñaët theâm caùc maïch boå trôï baèng caùc linh kieän ñieän töû, baùn daãn, vaø cô caáu chæ thò thöôøng duøng loaïi töø ñieän. Trong caùc duïng cuï ño theo phöông phaùp soá, ñaïi löïôïng ño töông töï loái vaøo ñöôïc soá hoùa nhôø caùc maïch bieán ñoåi töông töï soá ADC (Analog to Digital Converter), sau ñoù ñöa qua maïch ñeám, giaûi maõ vaø chæ thò baèng caùc ñeøn LED 7 ñoaïn (LED - Light Emitting Diode) hoaëc ñeøn tinh theå loûng 7 ñoaïn. Theo ñaïi löôïng ño ngöôøi ta chia caùc duïng cuï ño ñieän ra theo teân goïi: nhö Ampekeá, Miliampekeá, Microâampekeá, Voân keá, Milivoânkeá, OÂmkeá,v.v 4.2. Sai soá. Baát kyø pheùp ño naøo cuõng maéc phaûi sai soá, Theo caùch bieåu dieãn sai soá thì coù 2 loaïi sai soá sau : 4.2.1. Sai soá tuyeät ñoái: Laø hieäu giöõa giaù trò thöïc cuûa ñaïi löôïng ño vaø trò soá ño ñöôïc baèng pheùp ño: ∆Χ = XT - X m (1-23) XT - Giaù trò thöïc cuûa ñaïi löôïng ño Xm - Giaù trò ño ñöôïc baèng pheùp ño Nhö vaäy ∆Χ coù theå coù giaù trò döông hoaëc aâm. Tuy nhieân, do XT ta chöa bieát, neân trong thöïc teá ngöôøi ta thöôøng laáy giaù trò gaàn ñuùng cuûa XT baèng caùch ño nhieàu laàn vaø xem giaù trò trung bình cuûa n laàn ño gaàn ñuùng vôùi XT. 1 n XT ≅ X = ∑ X M i (1-24) n i = 1 Vaø giaù trò cuûa ∆Χ cuõng ñöôïc bieåu dieãn nhö sau: 1 n 1 n ∆X = ∑ ∆X i = ∑(X i − X) (1-25) n i = 1 n i = 1 4.2.2. Sai soá töông ñoái: Ñeå ñaùnh giaù ñoä chính xaùc cuûa pheùp ño, ngöôøi ta duøng sai soá töông ñoái δX vaø bieåu dieãn ra phaàn traêm: ∆Χ δΧ(%) = ⋅100% (1-26) Χ Thöïc teá, cuõng thöôøng bieåu dieãn baèng giaù trò gaàn ñuùng trung bình cuûa noù: ∆Χ δΧ(%) = ⋅ 100% (1-27) Χ 4.3. Caáp chính xaùc cuûa ñoàng hoà ño ñieän. Ñeå ñaùnh giaù ñoä chính xaùc cuûa ñoàng hoà ño ñieän, ngöôøi ta duøng khaùi nieäm caáp chính xaùc cuûa duïng cuï. Caáp chính xaùc cuûa duïng cuï ño ñieän ñöôïc ñònh nghóa laø: ∆X γ % = max ⋅ 100% (1-28) Amax ∆X max – laø sai soá tuyeät ñoái lôùn nhaát cuûa duïng cuï ño ôû thang ño töông öùng; Amax – laø giaù trò lôùn nhaát cuûa thang ño . Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 28 - Duïng cuï ño ñieän coù 8 caáp chính xaùc sau : 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 vaø 5. Caáp chính xaùc ñöôïc ghi treân maët cuûa ñoàng hoà ño. Bieát caáp chính xaùc ta coù theå tính ñöôïc sai soá tuyeät ñoái lôùn nhaát cho pheùp cuûa pheùp ño: ∆Xmax = γ% . Amax / 100 (1-29) Ví duï: Moät miliampekeá coù thang ñoä lôùn nhaát Amax = 100mA, caáp chính xaùc laø 2,5. Sai soá tuyeät ñoái lôùn nhaát cho pheùp seõ laø: ∆Xmax = 2,5 x 100 / 100 = 2,5 mA Vöôït quaù giaù trò 2,5mA naøy ñoàng hoà seõ khoâng coøn ñaït caáp chính xaùc 2,5 nöõa. 4.4 . Caùc caùch tính sai soá. 4.4.1. Sai soá cuûa pheùp ño vôùi caùc thang ño khaùc nhau: Trong thöïc teá khi ño vôùi moät maùy ño coù caáp chính xaùc nhaát ñònh, nhöng khi thay ñoåi thang ño thì sai soá tuyeät ñoái cuûa pheùp ño seõ thay ñoåi, caùch tính theo coâng thöùc (1-29). Ví duï: Moät voân keá coù caáp chính xaùc 1,5 khi duøng thang ño 50V maéc sai soá cho pheùp lôùn nhaát laø : ∆ Umax = 1,5. 50 / 100 = 0,75V Nhöng neáu duøng thang ño 100V thì sai soá tuyeät ñoái lôùn nhaát cho pheùp laïi laø ∆ U’max = 1,5 . 100 / 100 = 1,5V 4.4.2. Sai soá töông ñoái cuûa toång 2 ñaïi löôïng. Neáu hai ñaïi löôïng ño coù tính chaát ñoäc laäp vôùi nhau, moãi ñaïi löôïng coù sai soá töông ñoái rieâng bieät δA vaø δB thì sai soá töông ñoái cuûa toång 2 ñaïi löôïng (A + B) seõ laø : ∆A + ∆B AδA + BδB δ = = (1-30) (A+B) A + B A + B 4.4.3. Sai soá töông ñoái cuûa tích 2 ñaïi löôïng. Neáu hai ñaïi löôïng ñoäc laäp vôùi nhau maø moãi ñaïi coù moät trò soá sai soá töông ñoái rieâng bieät thì sai soá töông ñoái cuûa tích 2 ñaïi löôïng (A.B) ñöôïc xaùc ñònh: δ (A.B) = δA + δB (1-31) Toång quaùt, trong tröôøng hôïp tích cuûa nhieàu ñaïi löôïng ñoäc laäp vôùi nhau: n δ ∏ Ai = ∑δ A i (1-32) i i = 1 4.4.4. Sai soá töông ñoái cuûa moät thöông δ (A/B) = δA + δB (1-33) Toång quaùt cho tröôøng hôïp tyû soá cuûa tích nhieàu ñaïi löôïng : ∏ Ai i Neáu : x = Thì: δ = ∑δ Ai + ∑δ Bj (1-34) ∏ B j i j j Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 29 - CHÖÔNGII: ÑO CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG ÑIEÄN § 1. KHAÙI NIEÄM CHUNG Caùc ñaïi löôïng ñieän ñöôïc chia laøm hai loaïi: loaïi taùc ñoäng (active) vaø loaïi thuï ñoäng (passive). – Loaïi taùc ñoäng: Caùc ñaïi löôïng mang naêng löôïng nhö ñieän aùp, doøng ñieän, coâng suaát laø nhöõng ñaïi löôïng taùc ñoäng. Khi ño caùc ñaïi löôïng naøy, baûn thaân naêng löôïng cuûa chuùng seõ taùc ñoäng leân maïch ño vaø cô caáu ño. Trong caùc tröôøng hôïp naêng löôïng quaù lôùn phaûi söû duïng caùc maïch phaân doøng, phaân aùp hoaëc caùc maïch laáy maãu ñaïi löôïng ño (bieán aùp, bieán doøng). Tröôøng hôïp ngöôïc laïi, neáu caùc ñaïi löôïng ño quaù nhoû, phaûi söû duïng caùc maïch khueách ñaïi ñeå khueách ñaïi chuùng leân ñuû lôùn ñeå maïch ño coù theå laøm vieäc bình thöôøng. – Loaïi thuï ñoäng: Caùc ñaïi löôïng khoâng mang naêng löôïng nhö ñieän trôû, ñieän caûm, ñieän dung laø caùc ñaïi löôïng thuï ñoäng. Khi ño caùc ñaïi löôïng naøy phaûi coù nguoàn ñieän aùp ñeå cung caáp naêng löôïng cho chuùng trong maïch ño. § 2. ÑOÀNG HOÀ ÑO ÑIEÄN VAÏN NAÊNG 2.1. Caùc chæ tieâu chaát löôïng cuûa ñoàng hoà vaïn naêng. 2.1.1. Ñoä nhaïy γ. Ñoä nhaïy cuûa ñoàng hoà bieåu thò moái quan heä phuï thuoäc cuûa goùc leäch phaàn ñoäng khi coù doøng ñieän taùc ñoäng leân cô caáu ño. Noù chính laø doøng ñieän nhoû nhaát coù khaû naêng laøm leäch kim chæ thò leân heát thang ñoä. Doøng caøng nhoû thì ñoä nhaïy caøng cao. Ñoä nhaïy cuûa ñoàng hoà tæ leä vôùi maät ñoä töø thoâng cuûa nam chaâm vónh cöûu, soá voøng cuûa khung daây ñieän keá, vaø tyû leä nghòch vôùi löïc caûn cuûa loø xo xoaén. Caùc ñoàng hoà coù ñoä nhaïy cao thöôøng coù ñoä nhaïy (50÷20)µA. Ñoä nhaïy thöïc teá cuûa ñoàng hoà thöôøng bò giaûm ñi vì coù sun vaïn naêng ñaáu song song vôùi khung daây. Treân maët cuûa ñoàng hoà ño thöôøng coù ghi trò soá ñieän trôû vaøo öùng vôùi moãi voân (Ω/V). Muoán tính ra ñoä nhaïy thöïc teá chæ caàn soá laáy nghòch ñaûo cuûa ñieän trôû vaøo öùng vôùi moãi voân. Ví duï, ñoàng hoà vaïn naêng 500 T coù ñieän trôû vaøo öùng moãi voân laø 20.000 Ω/V thì ñoä nhaïy thöïc teá seõ laø: 1 1 V γ = = = 50µA 20.000 Ω /V 20.000 Ω Nhö vaäy, ñoàng hoà coù soá Ω/V caøng lôùn thì doøng ñieän laøm leäch heát thang ñoä caøng nhoû vaø ñoàng hoà caøng nhaïy. Doøng ñieän naøy thöôøng reõ nhaùnh qua maïch sun vaïn naêng, neân doøng ñieän thöïc teá chaïy tröïc tieáp qua khung daây ñieän keá nhoû hôn. Chaúng Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 30 - haïn, ñoàng hoà 500 T coù ñoä nhaïy thöïc teá laø 50 µA, nhöng doøng thöïc teá qua khung daây chæ laø 40 µA. Ñoàng hoà 108 T coù trò 5000Ω/V, ñoä nhaïy thöïc teá laø 200 µA, nhöng doøng qua khung daây chæ laø 63 µA. 2.1.2. Caáp chính xaùc. Do maïch ño duøng phoái hôïp ñeå ño caû ñieän aùp, doøng ñieän vaø ñieän trôû neân caáp chính xaùc cuûa ñoàng hoà vaïn naêng thöôøng thaáp hôn caùc maùy ño rieâng leû. Caáp chính xaùc ñöôïc bieåu thò theo sai soá phaàn traêm ñoái vôùi trò soá lôùn nhaát cuûa thang ño. Caáp chính xaùc ñoái vôùi ñieän xoay chieàu thì nhoû hôn ñoái vôùi ñieän moät chieàu vì aûnh höôûng cuûa ñaëc tuyeán chænh löu phi tuyeán. Treân maët ñoàng hoà thöôøng ghi roõ caáp chính xaùc ñoái vôùi ñieän moät chieàu vaø xoay chieàu. Caùc ñoàng hoà thoâng duïng coù caáp chính xaùc 2,5 ñoái vôùi ñieän moät chieàu vaø 4 ñoái vôùi ñieän xoay chieàu. 2.1.3. Tính thaêng baèng. Ñoàng hoà vaïn naêng coù tính thaêng baèng toát thì duø ñeå naèm, ñeå ñöùng hay nghieâng kim chæ thò vaãn veà ñuùng soá 0. Ñieàu ñoù chöùng toû troïng taâm cuûa khung quay naèm ñuùng treân ñöôøng noái hai muõi nhoïn cuûa truïc quay. 2.2. Maïch ño trong ñoàng hoà ño ñieän vaïn naêng. Sô ñoà khoái trình baøy nguyeân lyù toå chöùc maïch ño trong moät ñoàng hoà ño ñieän vaïn naêng chæ ra treân hình 2-1. Maïch goàm 3 khoái chöùc naêng cô baûn: khoái ño doøng ñieän, khoái ño ñieän aùp vaø khoái ño ñieän trôû. Cô caáu chæ thò duøng ñieän keá töø ñieän G. Maïch ño I I U + - Maïch ño U R Maïch ño R Hình 2-1. Sô ñoà khoáimachñocuûañoàng hoà ño ñieän 2.2.1. Maïch ño doøng ñieän moät chieàu. Caùc cô caáu ño töø ñieän chæ ño ñöôïc töø vaøi chuïc tôùi vaøi traêm microâampe (µA). Nhöng trong thöïc teá ta caàn ño nhöõng doøng ñieän coù trò soá lôùn hôn nhieàu, muoán vaäy phaûi môû roäng thang ño cho ñoàng hoà. Sô Rg ñoà nguyeân lyù maéc sun môû roäng thang ño cho ñieän keá chæ ra treân hình 2-2. Ig Goïi doøng caàn ño laø I, doøng laøm leäch toaøn phaàn cô caáu ño laø Ig, ñieän trôû cô I Is Rs caáu ño laø Rg, ñieän trôû sun laø RS, töø hình 2- 2 ta deã daøng thaáy: Hình 2-2 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 31 - I = IS + Ig I R g = S I S Rg Ta coù: IS = I – Ig , goïi n = I / Ig laø heä soá môû roäng thang ño doøng, ta seõ coù: I = nIg , töø ñoù: I I 1 R g = g = = S I S nI g − I g n −1 Rg R Hay: R = g (2-1) S n −1 Trong ñoàng hoà vaïn naêng maïch ño thöôøng coù nhieàu thang ño khaùc nhau, coù 2 caùch ñaáu sun: kieåu ñaáu sun rieâng reõ vaø kieåu ñaáu sun vaïn naêng. a.Maïch sun rieâng reõ. Rg Ig _ Caùc sun ñaáu rieâng reõ öùng + vôùi töøng thang ño khaùc nhau (hình I1 R1 2-3). Vieäc choïn thang ño ñöôïc R2 thöïc hieän nhôø chuyeån maïch SW. I2 SW R3 Giaù trò cuûa caùc ñieän trôû sun R1, I3 R2, R3 ñöôïc tính theo coâng thöùc (2-1). Sun rieâng reõ coù öu ñieåm laø taùch rôøi nhau neân deã daøng Hình 2-3. Maïch sun rieâng reõ kieåm tra hieäu chænh vaø söûa chöõa. Tuy nhieân, khoâng kinh teá vì taêng soá ñieän trôû daây quaán. Maët khaùc khi chuyeån maïch bò tieáp xuùc xaáu hoaëc khoâng tieáp xuùc, maïch sun seõ bò ngaét, toaøn boä doøng ño seõ ñoå qua ñieän keá laøm chaùy khung daây cuûa ñoàng hoà. Do vaäy kieåu sun rieâng reõ ít söû duïng trong thöïc teá. b) Maïch sun vaïn naêng. Maïch sun vaïn naêng coù ñaëc ñieåm laø bao goàm taát caû caùc sun rieâng reõ cuûa töøng thang ño. Caùc sun rieâng reõ ñaáu noái tieáp vôùi nhau vaø toaøn boä ñieän trôû sun ñaáu song song thöôøng tröïc vôùi cô caáu ño (hình 2-4). Rg + _ _ + R4 R3 R2 R1 R2 R1 2 3 2 1 4 1 SW Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 32 - a) b) Hình 2-4. Mach sun van naêng Moãi moät thang ño seõ laø toå hôïp caùc ñieän trôû, sun cuûa thang ño tröôùc laø moät phaàn sun cuûa thang ño sau. Trong sô ñoà hình 2-4, a thì öùng vôùi thang ño thöù nhaát, ñieän trôû sun laø R1, coøn R2, R3, R4 ñoùng vai troø caùc ñieän trôû phuï noái tieáp vôùi cô caáu ño. Ñaây cuõng laø thang ño doøng lôùn nhaát trong caùc thang ño treân (öùng vôùi sun nhoû nhaát). Moät caùch töông töï, ta coù (R1 + R2) laø sun cuûa thang ño thöù 2; (R1 + R2 + R3) laø sun cuûa thang ño thöù ba vaø (R1 + R2 + R3 + R4) laø sun cuûa thang ño thöù tö (thang ño doøng nhoû nhaát). So vôùi kieåu maïch duøng sun rieâng bieät, maïch duøng sun vaïn naêng tieát kieäm ñöôïc ñieän trôû daây quaán hôn, ñaëc bieät do ñieän trôû sun maéc song song thöôøng tröïc vôùi cô caáu ño neân khoâng sôï xaûy ra quaù taûi cho ñoàng hoà. Tuy nhieân, vieäc ñieàu chænh vaø söûa chöõa maïch sun vaïn naêng seõ phöùc taïp hôn. Ñeå tính toaùn ñieän trôû sun vaïn naêng ta cuõng xuaát phaùt töø caùch tính toång quaùt ñoái vôùi sun rieâng reõ. Ta haõy xeùt maïch sun vaïn naêng ñôn giaûn nhö chæ ra treân hình 2-5 goàm hai ñieän trôû R1 + R2 Rg Ta coù: RS = R1 + R2 = (2-2) n1 −1 ÔÛ ñaây n1 laø heä soá hieäu chænh doøng öùng vôùi thang ño maéc sun RS = R1 + R2. Vôùi thang ño sau, ñieän trôû sun laø R2, coøn R1 noái tieáp vôùi cô caáu ño. AÙp duïng coâng thöùc tính sun (2-1) ta coù: R1 + Rg R2 = (2-3) n2 −1 ÔÛ ñaây n2 laø heä soá hieäu chænh doøng ñieän öùng vôùi thang ño coù sun laø R2. Töø phöông trình (2-2) vaø (2-3) ta ruùt ra: n ⎛ 1 1 ⎞ 1 ⎜ ⎟ R1 = Rg ⎜ − ⎟ (2-4) n1 −1 ⎝ n1 n2 ⎠ R2 = RS – R1 Tính toaùn töông töï vôùi caùc maïch sun vaïn naêng cho 3, 4, k thang ño ta ruùt ra coâng thöùc toång quaùt tính ñieän trôû sun vaïn naêng Rk cuûa thang ño baát kyø: n ⎛ 1 1 ⎞ 1 ⎜ ⎟ Rk = Rg ⎜ − ⎟ (2-5) n1 −1 ⎝ nk nk+1 ⎠ –Ví duï: Moät ñieän keá coù doøng leäch toaøn thang laø Ig = 50µA, ñieän trôû cô caáu ño Rg = 300Ω. Tính trò soá sun vaïn naêng ñeå môû roäng thang ño cho ñieän keá vôùi caùc doøng 100 µA, 1mA, 10mA vaø 100mA. Ta coù heä soá hieäu chænh doøng öùng vôùi caùc thang ño töông öùng laø: n1 = 100/50 = 2; n2 = 1000/50 = 20; n3 = 10.000 /50 = 2000; n4 = 100.000/50 = 2000. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 33 - Rg 300 Tính RS = R1 + R2 + R3 + R4 = = = 300Ω n1 −1 2 −1 Trò soá ñieän trôû sun ôû moãi thang ño tính theo coâng thöùc (2-5). 2 ⎛ 1 1 ⎞ 9 R1 = 300 ⎜ − ⎟ = 600 = 270Ω 2 −1⎝ 2 20 ⎠ 20 2 ⎛ 1 1 ⎞ 9 R2 = 300 ⎜ − ⎟ = 600 = 27Ω 2 −1⎝ 20 200 ⎠ 200 2 ⎛ 1 1 ⎞ 9 R3 = 300 ⎜ − ⎟ = 600 = 2,7Ω 2 −1⎝ 200 2000 ⎠ 2000 R4 = RS – (R1+ R2 + R3) = 300 – 299,7 = 0,3Ω 2.2.2. Maïch ño ñieän aùp moät chieàu. Cô caáu ño töø ñieän chæ coù theå ño ñöôïc ñieän aùp nhoû, ñeå môû roäng thang ño ngöôøi ta phaûi maéc theâm ñieän trôû phuï Rp noái tieáp vôùi cô caáu ño (hình 2-5). Töø hình veõ ta coù: Rg Ig Rp + _ U = UP + Ug = Ig(RP + Rg) Trong ñoù Rg vaø Ig laø ñieän trôû cuûa cô caáu ño Up Ug vaø doøng leäch cöïc ñaïi cuûa thang ño ñieän keá. Nhö vaäy, giaù trò cuûa ñieän trôû phuï seõ laø: Hình 2-5 U R p = − Rg (2-6) I g Töông töï nhö thang ño doøng ñieän moät chieàu, ñeå ño caùc trò soá ñieän aùp khaùc nhau, thang ño ñieän aùp cuõng ñöôïc thieát keá caùc maïch ñieän trôû phuï kieåu rieâng bieät vaø ñieän trôû phuï kieåu vaïn naêng (hình 2-6) Hình 2-6, a laø sô ñoà maïch ño ñieän aùp moät chieàu vôùi 4 thang ño maéc kieåu ñieän trôû phuï rieâng reõ. Maïch naøy coù öu ñieåm laø deã daøng kieåm tra vaø söûa chöõa, nhöng cuõng coù nhöôïc ñieåm gioáng nhö maïch sun rieâng reõ laø deã bò hôû maïch ño khi chuyeån maïch tieáp xuùc xaáu. Rg Rg _ _ + + R4 R3 R2 R1 R4 R3 R2 R1 3 2 4 3 2 _ 4 1 1 SW _ + SW + b) a) Hình 2-6 a) Maïch voân keá duøng ñieän trôû phuï kieåu rieâng reõ b) Maïch voân keá duøng ñieän trôû phuï vaïn naêng Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 34 - Hình 2-6, b laø sô ñoà maéc ñieän trôû phuï vaïn naêng. Ñaây laø kieåu ñöôïc duøng roäng raõi trong caùc ñoàng hoà vaïn naêng. Caùc ñieän trôû thaønh phaàn treân hình 2-6, b deã daøng tính theo caùc coâng thöùc sau: U1 − I g Rg R1 = I g U2 − U1 R2 = I g U3 − U2 R3 = I g Töông töï, ta ruùt ra coâng thöùc toång quaùt ñeå tính ñieän trôû phuï môû roäng thang ño khi ñaõ bieát thang ño tröôùc: Un − Un−1 Rn = (2-7) I g Trong ñoù n laø soá thöù töï thang ño. –Ví duï: Moät ñoàng hoà ño ñieän vaïn naêng coù ñieän trôû cô caáu ño laø 300 Ω, doøng leäch toaøn thang laø 0,3mA. Haõy tính caùc ñieän trôû phuï vaïn naêng môû roäng thang ño cuûa voân keá ñeå coù theå ño ñöôïc caùc ñieän aùp 6V, 30V vaø 150V. AÙp duïng caùc coâng thöùc (2-7) cho caùc thang ño ta coù: 6 − (0,0003 × 300) R1 = =19700Ω =19,7kΩ 0,0003 30 − 6 R = = 80000Ω = 80kΩ 2 0,0003 150 − 30 R = = 400000Ω = 400kΩ 3 0,0003 Treân caùc hình 2-7 vaø hình 2-8 laø hai maïch ñieän trôû phuï thöïc teá cuûa hai ñoàng hoà vaïn naêng U202 vaø U1. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 35 - R4 + - R1 R2 R3 R8 R7 R6 R5 15 75 300 750 - + - + R15 R5 Hình 2-7. Maïch voân keá duøng ñieän trôû phuï rieâng bieät trong ñoàng hoà vaïn naêng U 202 R6 R7 R8 R9 R1 R2 R3 R4 10V 50V 230V 500V - + Hình 2-8. Maïch voân keá duøng ñieän trôû phuï vaïn naêng trong ñoàng hoà vaïn naêng U1 2.3. Ño doøng ñieän vaø ñieän aùp xoay chieàu. Cô caáu ño töø ñieän chæ coù theå ño doøng moät chieàu. Ñeå ño doøng ñieän vaø ñieän aùp xoay chieàu maïch ño ñöôïc maéc theâm khoái chænh löu. Caùc maïch chænh löu trong ñoàng hoà vaïn naêng thöôøng duøng laø chænh löu 2 baùn kyø, chænh löu caàu ñoái xöùng hoaëc khoâng ñoái xöùng treân caùc diode Ge. Sô ñoà nguyeân lyù maïch ño doøng ñieän vaø ñieän aùp xoay chieàu cuûa ñoàng hoà vaïn naêng Univecka ñöôïc trình baøy treân caùc hình 2-9 vaø hìnhø 2-10. + 10K - 500 300 100 50 30 10 5 3 1 0.5 0.3 0.1 0.05 0.04 0.01 12510 20 50 100 200 500 1A 2A 10A mA _ + Hình 2-9. Mach ño doøng ñieän xoay chieàucuûañoàng hoà 0,01uF + 10M 6M 2M 1M 500K 200K 100K 50K 20K 10K - 50M Lưu1000V Thế 500Vinh200 100 50 20 10 5 2 1 Khoa Vật Lý 50M + 5KV
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 36 - Hình 2-10. Mach ño ñieän aùp xoay chieàucuûañoàng hoà 2.4. Maïch ño ñieän trôû. Trò soá cuûa ñieän trôû thöôøng phaân ra caùc khoaûng: trò soá nhoû (döôùi 1Ω); trung bình (1 ÷105Ω) vaø lôùn (treân MΩ). Caùc ñieän trôû nhoû thöôøng ño baèng caàu ño, loaïi lôùn duøng Meâgoâm keáá ñeå ño. Loaïi trung bình ñöôïc ño chuû yeáu baèng oâm keá. Trong ñoàng hoà vaïn naêng thang ño oâm ñöôïc khaéc ñoä tröïc tieáp ra oâm. Tuøy theo caùch maéc ñieän trôû caàn ño RX noái tieáp hay song song vôùi cô caáu ño, ngöôøi ta phaân ra hai loaïi: oâm keá song song vaø oâm keá maéc noái tieáp. 2.4.1. OÂm keá coù ñieän trôû ño maéc noái tieáp. Trong sô ñoà naøy ñieän trôû caàn ño RX ñöôïc maéc noái tieáp vôùi cô caáu ño (hình 2- 11, a) Rx G R* G +- +- + + U R U Rx R - - a) b) Hình 2-11 Töø hình veõ ta coù: U I g = (2-8) R + RX Neáu U = const thì Ig = f(RX). Thang ñoä cuûa duïng cuï khaéc ñoä theo Rx . Vì haøm truyeàn (2-8) laø phi tuyeán neân thang ñoä Rx seõ khoâng ñeàu. Khi Rx thay ñoåi giaù trò cuûa Ig seõ thay ñoåi. – Khi Rx = 0 (ngaén maïch Rx), doøng Ig = Imax, goùc leäch kim chæ thò laø lôùn nhaát – Khi Rx =∞ (hôû maïch Rx), doøng Ig = 0, goùc leäch kim chæ thò baèng 0. Nhö vaäy thang ñoä cuûa oâm keáá loaïi naøy ngöôïc vôùi thang ño thoâng thöôøng, giaù trò 0 Ω ôû taän cuøng beân phaûi, coøn giaù trò ∞ Ω ôû taän cuøng beân traùi. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 37 - –Löu yù. Keát quaû ño Rx chæ chính xaùc khi ñieän aùp nguoàn khoâng ñoåi U = const. Ñeå coù theå hieäu chænh ñieän aùp nguoàn trong moät phaïm vi bieán ñoåi nhaát ñònh, ngöôøi ta duøng * theâm moät bieán trôû R maéc song song vôùi cô caáu ño (hình 2-11, b). Tröôùc moãi laàn ño ta phaûi ngaén maïch 2 que ño (ngaén maïch Rx) vaø ñieàu chænh kim ñoàng hoà chæ ñuùng soá 0, sau ñoù tieán haønh ño thì keát quaû chæ thò môùi chính xaùc. Nuùm ñieàu chænh cuûa bieán trôû R* ñöôïc ñöa ra tröôùc maët maùy vaø thöôøng kyù hieäu baèng chöõ Ω. Maïch ño oâm maéc noái tieáp nhö treân ñöôïc duøng roäng raõi trong caùc ñoàng hoà vaïn naêng. Thoâng thöôøng thang ñoä oâm keáá ñöôïc caáu taïo theo kieåu thang ño sau lôùn gaáp 10 laàn thang ño tröôùc, neân khi chuyeån thang ño chæ caàn nhaân heä soá x10, x100, x1000. Hình 2-12 laø maïch ño ñieän trôû trong ñoàng hoà vaïn naêng 108-T R23 - + R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R21 R22 R17 X1 R20 R18 X10 X1K X10K R19 1,5V 1,5V Hình 2-12. Maïch ño ñieän trôû trong ñoàng hoà vaïn naêng 108-T 2.4.2 OÂm keá coù ñieän trôû ño maéc song song Sô ñoà cuûa oâm keá maéc song song nhö hình 2-13. Töông töï nhö oâm keá maéc noái tieáp, ta xeùt 2 tröôøng hôïp: – Khi ngaén maïch Rx (Rx = 0) , doøng qua cô caáu ño baèng 0. – Khi hôû maïch Rx (Rx = ∞) doøng qua cô caáu ño seõ ñöôïc xaùc ñònh bôûi ñieän trôû cô caáu ño vaø ñieän trôû maïch ngoaøi: U I = (2-9) R + Rg Luùc naøy doøng ñieän qua cô caáu ño seõ laø lôùn nhaát. Khi maéc song song Rx vôùi ñieän keá G, doøng qua maïch ño seõ laø: U I = (2-10) R R R + x g Rx +R g Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 38 - Rx Rx G G + - + - + + U U R R R* - - a) b) Hình 2-13 Caùc bieåu thöùc (2-9) vaø (2-10) cho thaáy thang ñoä cuûa ñoàng hoà seõ khoâng ñeàu vaø cuõng thuaän chieàu bình thöôøng nhö caùc thang ño ñieän aùp vaø doøng ñieän. Ñeå ñieàu chænh ñieåm 0 ban ñaàu cuõng söû duïng theâm ñieän trôû R* maéc noái tieáp vôùi maïch ño (hình 2-13, b). 2.5. Thang ño ñeà xi ben. Trong moät soá ñoàng hoà vaïn naêng coù theâm thang ño ñeà xi ben (dB) duøng ñeå ño möùc tín hieäu xoay chieàu. Möùc chuaån quy ñònh 1mW treân gaùnh 600Ω thì ñieän aùp töông öùng laø 0,775 V (ñöôïc tính töø heä thöùc: P = U2/R töø ñoù thì U = P.R ). Thang ñoä dB töông öùng vôùi thang ño ñieän aùp xoay chieàu treân ñoàng hoà. O dB öùng vôùi vaïch kim 0,775V cuûa thang ño ñieän aùp xoay chieàu. Ñoái vôùi caùc thang ño khaùc, giaù trò dB ñöôïc tính baèng caùch coäng theâm vaøo chæ soá cuûa duïng cuï vôùi trò soá khoâng ñoåi ghi treân maët ñoàng hoà. Ví duï: Ño baèng thang ño 50 V (14) , soá chæ treân thang ñoä laø +10 dB, thì trò soá thöïc seõ laø : +10 + 14 dB = 24 dB. Ño baèng thang ño 500 V(34), keát quaû ño seõ laø = soá chæ + 34 dB, § 3. ÑO ÑIEÄN AÙP BAÈNG CAÙC VOÂN MEÙT TÖÔNG TÖÏ 3.1. Ñaëc tính chung. Ño ñieän aùp laø moät trong nhöõng pheùp ño cô baûn nhaát ñeå ño caùc thoâng soá cuûa tín hieäu. Khi caàn kieåm tra, xaùc ñònh cheá ñoä coâng taùc cuûa thieát bò ñieän töû thì pheùp ño ñieän aùp ñöôïc söû duøng nhieàu nhaát. Sôû dó vaäy, vì pheùp ño thöïc hieän nhanh choùng, deã tieán haønh vaø coù ñoä chính xaùc cao. Ñaëc ñieåm cuûa pheùp ño ñieän aùp trong kyõ thuaät ñieän töû laø khoaûng trò soá ño roäng vaø ôû trong moät daûi taàn raát roäng döôùi nhieàu daïng tín hieäu ñieän aùp khaùc nhau. Ñoä lôùn cuûa ñieän aùp caàn ño coù trò soá töø vaøi microâvoân ñeán haøng traêm kiloâvoân. Daûi taàn cuûa ñieän aùp caàn ño töø ñieän aùp moät chieàu, ñieän aùp coù taàn soá bieán ñoåi chaäm (khoaûng vaøi phaàn traêm Hz) ñeán ñieän aùp coù taàn soá khaù cao tôùi haøng ngaøn MHZ. Caùc trò soá cuûa ñieän aùp caàn ño thöôøng laø trò ñænh (bieân ñoä); trò hieäu duïng vaø trò trung bình. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 39 - – Trò soá ñænh Um laø giaù trò töùc thôøi cöïc ñaïi cuûa ñieän aùp trong khoaûng thôøi gian quan saùt (hay trong moät chu kyø). Ñoái vôùi ñieän aùp khoâng ñoái xöùng thì coù 2 giaù trò ñænh: ñænh döông vaø ñænh aâm. Vôùi ñieän aùp ñieàu hoøa trò ñænh chính laø trò bieân ñoä. – Trò hieäu duïng U laø giaù trò trung bình bình phöông cuûa ñieän aùp töùc thôøi trong khoaûng thôøi gian ño (hay trong moät chu kyø). 1 T U = ∫ u 2 (t)dt (2-11) T 0 Ñoái vôùi ñieän aùp coù chu kyø daïng khoâng sin, thì bình phöông trò soá hieäu duïng cuûa ñieän aùp naøy baèng toång cuûa bình phöông thaønh phaàn ñieän aùp moät chieàu vaø bình phöông cuûa caùc thaønh phaàn ñieàu hoøa. 2 2 2 U = U 0 +U1 +U 2 + ∞ 2 Hay laø: U = ∑U k (2-12) k =0 – Trò soá trung bình cuûa ñieän aùp (thaønh phaàn moät chieàu) laø trò soá trung bình coäng caùc giaù trò töùc thôøi trong khoaûng thôøi gian ño (hay trong 1 chu kyø). 1 T U u(t)dt (2-13) tb = ∫ T 0 Trong tröôøng hôïp chænh löu hai nöûa chu kyø, thì noù baèng trò trung bình coäng cuûa trò soá tuyeät ñoái caùc giaù trò töùc thôøi: 1 T (2-14) U tb = ∫ u(t)dt T 0 Giöõa caùc trò soá trò ñænh, trò hieäu duïng vaø trò trung bình coù caùc moái quan heä bieåu thò qua caùc tyû soá sau: U k = m (2-15) b U kb – Heä soá bieân ñoä cuûa tín hieäu ñieän aùp. U kd = (2-16) U tb kd – Heä soá daïng cuûa tín hieäu ñieän aùp. Treân hình 2-13 laø ví duï ñeå tính caùc heä soá kb vaø kd cuûa caùc ñieän aùp coù caùc daïng khaùc nhau. – Khi ñieän aùp daïng sin (hình 2-14, a): Um =U; Utb = 0,9 U; Vaäy : kb = 1,41; kd = 1,11. – Khi ñieän aùp daïng raêng cöa (hình 2-14, b), coù bieân ñoä Um, chu kyø T. U Trò soá ñieän aùp töùc thôøi: u(t) = m t , T Trò soá ñieän aùp hieäu duïng: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 40 - 1 T U 2 U U = m t 2 dt = m ; ∫ 2 T 0 T 3 U U = m tb 2 – Khi ñieän aùp coù daïng xung vuoâng goùc ñoái xöùng (hình 2-14, c) thì giaù trò ñieän aùp töùc thôøi: ⎧ T U : 0 ≤ t ≤ ⎪ m 2 U(t) = ⎨ T ⎪−U : ≤ t ≤ T ⎩⎪ m 2 Trò soá ñieän aùp U = Um vaø Utb = Um ; do ñoù: kb = 1 vaø kd =1 u Utb a) t T u Utb b) t T u T/2 Um c) T/2 t T Hình 2-14 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 41 - 3.2. Caùc voân meùt ñieän töû ño ñieän aùp moät chieàu. Caùc voân keá töø ñieän bò moät soá haïn cheá laø: – Trôû khaùng vaøo nhoû, do ñoù khoâng theå ño ôû caùc sô ñoà coù trôû khaùng cao; – Ñoä nhaïy thaáp, neân khoâng theå ño ñöôïc caùc ñieän aùp quaù nhoû. Ñeå khaéc phuïc caùc nhöôïc ñieåm treân, ngöôøi ta söû duïng caùc boä bieán ñoåi ñieän töû, baùn daãn vaø thieát keá caùc maùy ño coù ñieän trôû vaøo lôùn, ñoä nhaïy cao cho pheùp ño caùc ñieän aùp raát thaáp. Caùc voân meùt ñieän töû VTVM (vacuum tube voltmeter) vaø voân meùt tranzistor TVM (transistor voltmeter) laø nhöõng duïng cuï ño löôøng chính xaùc ñöôïc söû duïng roäng raõi trong caùc phoøng thí nghieäm vaät lyù. 3.2.1. Voân keá transistor taûi emiter. Ñeå taêng trôû khaùng vaøo cuûa voân meùt, söû duïng taàng ñeäm loái vaøo treân transistor. Sô ñoà nguyeân lyù chæ ra treân hình 2-15, a. +Vcc I B Ig Q Vi + V = 0,7V BE Vi + I E = I g VE Rs Rs Vi R i = Rg R i =Rs+ Rg Rg IB G G - - a) b) Hình 2-15. a) Voân keá söû duïng maïch taûi emiter b) Maïch voân keá thöôøng Ñieän keá töø ñieän ñöôïc maéc treân cöïc emiter cuûa transistor loaïi silic Q . Giaû söû raèng nguoàn nuoâi Vcc = 20V, ñieän trôû taûi Rs + Rg = 9,3kΩ , doøng leäch toaøn thang cuûa ñieän keá laø Ig = 1mA. Neáu ñieän aùp loái vaøo laø Vi = 10V, suït aùp treân tieáp giaùp VBE = 0,7V, nhö vaäy ñieän aùp ra treân emiter cuûa transistor seõ laø: VE = Vi – VBE = 10 V – 0,7 V = 9,3 V. Doøng ñieän chaïy qua cô caáu ño (Ig) chính baèng doøng emiter cuûa transistor (IE), töùc laø ta coù: VE 9,3V IE = = = 1mA ()RS + Rg 9,3 kΩ Maët khaùc IE ≈ IC = β IB, töø ñoù ta coù : IB ≅ IE / β. Giaû thieát raèng β = 100, thì: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 42 - IB = 1 mA / 100 = 10 µA. – Ñieän trôû vaøo cuûa maïch gaùnh emiter (cuûa voân keá): Vi 10 V Ri = = = 1 MΩ I B 10µA – So saùnh vôùi maïch voân keá thöôøng (hình 2-15, b). ÔÛ ñaây ñieän keá 1 mA ñöôïc duøng ñeå ño ñieän aùp 10 V. Trong tröôøng hôïp naøy, ñieän trôû vaøo cuûa voân keá khi ñieän aùp vaøo 10 V seõ laø: Vi 10 V Ri = = = 10 kΩ I g 1 mA Nhö vaäy söû duïng maïch khueách ñaïi ñeäm treân transistor ñaõ laøm taêng trôû khaùng vaøo cuûa voân keá (ñoái vôùi tröôøng hôïp ñang xeùt thì taêng töø 10 kΩ leân 1 MΩ). – Nhaän xeùt. Khi maéc theâm taàng ñeäm emiter, do suït aùp treân tieáp giaùp VBE neân seõ gaây ra sai soá cuûa duïng cuï khi thay ñoåi ñieän aùp loái vaøo. Thöïc vaäy, giaû söû Vi = 5V, leõ ra kim ñoàng hoà phaûi chæ ôû ½ thang ño, nghóa laø 0,5 mA. Tuy nhieân ta thaáy: VE = Vi – VBE = 5 V – 0,7 V = 4,3 V; Vaø doøng qua ñieän keá seõ laø: Ig = VE / (RS + Rg) = 4,3 V / 9,3 kΩ = 0,46 mA. Nhö vaäy keát quaû ño seõ khoâng chính xaùc. Ñeå loaïi boû sai soá noùi treân, ngöôøi ta söû duïng toå hôïp caùc maïch chia aùp vaø maïch gaùnh emiter (hình 2-16). 3.2.2. .Maïch voân keá taûi emiter thöïc teá. Treân hình 2-16. caùc ñieän trôû R3, R5 cuøng chieát aùp R4 taïo ra boä chia aùp cho ñieän aùp VP ñieàu chænh ñöôïc. Ñieän trôû R1 ñònh thieân cho Q1 ôû theá ñaát khi khoâng coù ñieän aùp vaøo taùc duïng. Maïch söû duïng nguoàn nuoâi ñoái xöùng ± Vcc = ± 10V. Khi khoâng coù ñieän aùp vaøo taùc duïng: Vi = 0 V, ñaùy cuûa Q1 ôû 0 V, ñieän aùp emiter cuûa Q1 luùc naøy laø: VE = VB – VBE = 0 V – 0,7 V = –0,7 V. Vaø theá treân ñieän trôû R2 seõ laø : V2 = VR2 = VE – ( -Vcc) = 0,7 V – (-10 V) = + 9,3 V. Ñieàu chænh bieán trôû R4 ñeå coù VP = 0,7 V so vôùi ñaát hoaëc +9,3 V so vôùi –Vcc , khi ñoù ñieän aùp ñaët vaøo ñieän keá seõ baèng 0, kim ñoàng hoà chæ 0. +Vcc R3 I3 I B Ig Q1 Vi Rs+Rg R1 R4 VE Vp I3 + Ig R2 R5 -Vcc Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 43 - Hình 2-16. Sô ñoà voân keá maïch gaùnh emiter vôùi maïch boå chính suït aùp treân tieáp giaùp E-B – Baây giôø giaû söû ñieän aùp loái vaøo laø Vi = 5V. Luùc naøy ñieän aùp emiter seõ laø: VE = 5V – 0,7V = 4,3 V; vaø: V2 = VE – (-Vcc) = 4,3 V – (-10 V) = 14,3 V. Ñieän aùp ñaët vaøo maùy ño seõ laø: Vg = VE – Vp = 4,3 V – (-0,7 V) = 5 V. Nhö vaäy toaøn boä giaù trò cuûa ñieän aùp vaøo ñaët vaøo ñoàng hoà, maïch treân ñaõ khöû ñöôïc sai soá do suït aùp treân tieáp giaùp E-B cuûa transistor. – Nhaän xeùt. Keát quaû tính toaùn ôû treân chæ ñuùng khi cho raèng ñieän aùp cuûa boä chia aùp Vp khoâng bò aûnh höôûng bôûi doøng cuûa maùy ño. Ñieàu naøy chæ ñuùng neáu doøng qua boä chia aùp (I3) lôùn hôn nhieàu laàn doøng leäch cöïc ñaïi cuûa ñieän keá (Ig), Nghóa laø: I3 >> Ig. Tuy nhieân neáu ñieàu kieän naøy thöïc hieän seõ gaây toån hao nguoàn DC. Ñeå khaéc phuïc nhöôïc ñieåm naøy, ngöôøi ta duøng moät maïch gaùnh emiter treân Q2 nhö sô ñoà hình 2-17 +Vcc R3 I3 IB IB Q1 R4 V Ig Q2 i Vp R1 Rs+Rg V VE1 E2 R5 R2 R6 -Vcc Hình 2-17. Maïch voân keá thöïc teá vôùi caùc maïch boå chính treân transistor vaø caàu phaân aùp Thöïc vaäy, giaû söû ta coù voân keá vôùi caùc maïch boå chính nhö hình 2-17. Trong ñoù R2 = 3,9kΩ, R6 = 3,9kΩ, R3 = 2,7kΩ, R4 = 1kΩ, R5 = 2,2 kΩ vaø Rs+ Rg= 1kΩ. Doøng leäch toaøn thang cuûa ñieän keá laøø Ig = 1mA; Ñieän aùp nguoàn nuoâi ±VCC = ±12V. Caùc transistor loaïi Si coù β = 100. Ta haõy xaùc ñònh caùc tham soá tónh cuûa sô ñoà: Vp, IE1, IE2, I3 vaø IB khi ñieän aùp vaøo Vi = 0. Ta coù khi Vi = 0V thì: VB2 = VB1 = 0V; VP = VB2 = 0V; VR2 = Vi – VBE –(-VCC) = 0 – 0,7V – (-12V) = 11,3V; IE1 = VR2/R2 = 11,3 V/ 3,9 kΩ ≈ 2,9 mA; IE1 = IE2 = 2,9 mA; Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 44 - Vcc − (−Vcc ) 12V − (−12V ) I3 ≈ = = 4,07mA R3 + R4 + R5 2,7kΩ +1kΩ + 2,2kΩ vaø: IB ≈ IE / β = 2,9 mA /100 = 29 µA Nhö vaäy thoûa maõn ñieàu kieän IB = 29 µA << I3 = 4,07mA. 3.2.3.Maïch suy giaûm daàn ñaàu vaøo Ñeå thay ñoåi taàm ño cho voân meùt, ngöôøi ta maéc boä phaân aùp loái vaøo nhö sô ñoà chæ ra treân hình 2-18. Boä suy giaûm ñaàu vaøo 150K Ra 25V 50K Rb 10V SW 5V 40K Rc V Q3 i 10K R1 Q1 VE R2 Hình 2-18. Maïch suy giaûm ñaàu vaøo Maïch chia aùp goàm caùc ñieän trôû R1, Ra, Rb vaø Rc cho pheùp chia moät caùch chính xaùc ñieän aùp caàn ño tröôùc khi taùc ñoäng vaøo transistor loái vaøo. Maïch suy giaûm ñaûm baûo khi taùc duïng ñieän aùp vaøo baát kyø loái vaøo naøo thì möùc toái ña cuûa ñieän aùp loái vaøo transistor VB luoân luoân laø 1V. Ví duï ôû thang ño 25V: R1 10 KΩ VB = Vi = 25 V = 1 V R1 + Ra + Rb + Rc 10 KΩ +150 KΩ + 50 KΩ + 40 KΩ Nhö vaäy, tuøy thuoäc vaøo khoaûng ño ñaõ choïn maø vò trí toaøn thang ño cuûa duïng cuï ñöôïc tính laø 25 V, 10 V hay 5 V. Ñeå taêng ñieän trôû vaøo cuûa ñoàng hoà, ngöôøi ta duøng theâm moät transistor Q3 maéc Daclington vôùi Q1. Nhö vaäy doøng ñaùy Q1 seõ laø doøng emiter cuûa Q3. Giaû söû choïn heä soá khueách ñaïi doøng cuûa Q1 vaø Q3 laø nhö nhau: β1 = β3 = 100. Töø hình veõ ta coù: IB3 = IB1 /β3 = IE1/ β1. β3; Vôùi doøng emiter IE1 = 2,9 mA nhö trong ví duï ôû phaàn treân thì ta coù: 2,9 mA I = = 0,29µA B3 100×100 Khi vôùi mình Q1 trong maïch thì: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 45 - 2,9 mA I = = 29µA B1 100 Vôùi ñieän aùp loái vaøo VB = 1 V, ñieän trôû vaøo cuûa maïch seõ laø: 1V R = ≈ 34 kΩ i 29 µA Khi maéc theâm transistor Q3, ñieän trôû vaøo cuûa ñoàng hoà seõ laø: 1V R = ≈ 3,4 MΩ ; i 0,29 µA Nhö vaäy nhôø maéc theâm Q3, trôû khaùng vaøo cuûa ñoàng taêng theâm 100 laàn. 3.3. Keá ñaàu vaøo JFET. Caùc transistor tröôøng JFET coù ñieän trôû vaøo raát lôùn, neáu maéc moät FET ñaàu vaøo cuûa voân keá gaùnh emiter thì seõ taêng ñieän trôû vaøo cuûa voân meùt leân raát nhieàu. Sô ñoà maïch voân keá ñaàu vaøo FET cho treân hình 2-19 Boä suy giaûm Taàng vaøo Voân keá maïch gaùnh emiter ñaàu vaøo FET +Vcc R3 800K Ra 1V Vi 5V I3 Q3 10V 100K Rb IB VG Q1 R4 25V Ig Q2 VS Vp V 50K Rc E1 V R1 Rs+Rg E2 R5 40K Rd R2 R6 -Vcc Hình 2-19. Voân keá ñaàu vaøo FET Vì doøng cöïc coång cua JFET nhoû hôn 50µA, neân ñieän trôû toái ña 1MΩ thöôøng ñöôïc duøng ñeå ñònh thieân cöïc coång cho FET. Treân hình 2-19, caùc ñieän trôû cuûa boä suy giaûm loái vaøo coù ñieän trôû toång coäng laø 1MΩ. Vôùi caùch maéc nhö vaäy thì ñieän trôû vaøo cuûa voân keá luoân luoân laø 1 MΩ, vaø ñieän aùp vaøo cuûa FET luoân luoân laø 1V khi tín hieäu vaøo cöïc ñaïi ñoái vôùi thang ño baát kyø. Thöïc vaäy, ví duï ôû thang ño 10 V, ta coù: RC + Rd 60 + 40 VG = 10 V × = 10× = 1 V . Ra + Rb + Rc + Rd 800 +100 + 60 + 40 Ñieän trôû vaøo do maïch taïo ra ñoái vôùi ñieän aùp caàn ño laø ñieän trôû toaøn phaàn cuûa boä suy giaûm, baèng 1MΩ. –Ví duï: Cho voân keá ñaàu vaøo FET nhö hình 2-19, trong ñoù R1 = 10KΩ, R2 = 5,6KΩ, R6 = 5,6KΩ, R3 = 1,2KΩ, R4 = 2KΩ, R5 = 2,7KΩ vaø Rs+Rg = 1KΩ. Doøng leäch toaøn thang cuûa ñieän keá laø 1mA. Nguoàn nuoâi ±Vcc = ± 12V. Caùc transistor coù β = 100. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 46 - Ñieän aùp coång nguoàn cuûa FET laø VGS = –5V. Haõy xaùc ñònh caùc tham soá tónh cuûa sô ñoà: VP, IS, IE1, IE2 vaø I3 khi VG = 0. Xaùc ñònh soá chæ cuûa ñoàng hoà khi Vi = 7,5V vaø maùy ño ñeå ôû thang ño 10V. 3.3.1. Ta coù: khi VG = 0, thì VS = VG – VGS = 0 V – (-5V) = 5V, VR1 = Vs – (-Vcc) = 5 V – (-12V) = 17 V, IS = VR1/R1 = 17V / 10KΩ = 1,7mA, VP = VS =5V; VR2 = VS – VBE – (-Vcc) = 5V – 0,7V – (-12V) = 16,3V; IE1 = IE2 ≈ 2,9mA; IB = IE / β = 2,9mA / 100 = 29µA Vcc − (−Vcc ) 12 V − (−12 V ) I 3 = = ≈ 4,1 mA R3 + R4 + R5 1,2KΩ + 2KΩ + 2,7KΩ Nhö vaäy ta coù ñieàu kieän thoûa maõn IB << I3. 3.3.2. ÔÛ khoaûng ño 10V, khi ñieän aùp vaøo laø 7,5V thì: R c +R d 60KΩ + 40KΩ VG = Vi = 7,5V ⋅ = 0,75V Ra + Rb + Rc + Rd 800KΩ +100KΩ + 60KΩ + 40KΩ Vs = VG – VGS = 0,75V–(-5V) = 5,75 V, VE1 = VG – VBE = 5,75 – 0,7 V = 5,05 V, VE2 = VP – VBE = 5V – 0,7 V = 4,3 V, Ñieän aùp ñaët vaøo cô caáu ño seõ laø: V = VE1 – VE2 = 5,05 V – 4,3 V = 0,75 V = VG; V 0,75V I g = = = 0,75mA (75% toaøn thang ño). RS + Rm 1KΩ Nhö vaäy ôû thang ño 10V, toaøn thang ñoä laø 10V, neân 75% cuûa toaøn thang ño seõ ñoïc laø 7,5 V. 3.4.Voân keá transistor khueách ñaïi. Ñeå ño caùc ñieän aùp nhoû caàn khueách ñaïi leân ñeán giaù trò caàn thieát tröôùc khi ñöa vaøo cô caáu ño. Noùi caùch khaùc phaûi môû roäng thang ño cuûa voân keá vaø taêng ñoä nhaïy cuûa ñoàng hoà. Söû duïng caùc linh kieän ñieän töû, baùn daãn hoaëc duøng khueách ñaïi thuaät toaùn ñeå thieát keá caùc maïch khueách ñaïi. 3.4.1 Maïch voân keá duøng khueách ñaïi vi sai. Maïch voân keá khueách ñaïi vi sai duøng ñeå ño nhöõng ñieän aùp raát nhoû. Sô ñoà nguyeân lyù cuûa voân keá chæ ra treân hình 2-20. ÔÛ ñaây caùc ñieän trôû R1 vaø R6 phaân cöïc ñaùy cho Q1 vaø Q2 ôû theá ñaát khi ñieän aùp vaøo baèng 0. Luùc naøy suït aùp treân ñieän trôû R4 laø: VR4 = 0 – VBE – (-Vcc). Doøng chaûy qua R4 laø: IE1 + IE2 = VR4 / R4. Deã thaáy caùc doøng IE1 = IE2 khi Vi = 0. Vì Ic ≈ IE neân ta coù: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 47 - IC1 = IC2 ≈ (IE1 + IE2 ) / 2; ⎛ R3 ⎞ Vaø : VC1 = VCC – IC1 RL1= VCC – IC1 ⎜ R2 + ⎟ ; ⎝ 2 ⎠ ⎛ R3 ⎞ VC2 = VCC – IC2RL2 = VCC – IC2 ⎜ R2 + ⎟ ; ⎝ 2 ⎠ Ñieän aùp ñaët vaøo cô caáu ño: V = VC1 – VC2 +Vcc R L1 R L2 R3 R2 R5 Rs+Rg VC1 VC2 V Q1 Q2 i R1 R2 IE1 IE2 R4 -V cc Hình 2-20. Maïch voân keá khueách ñaïi vi sai Khi Vi = 0, IC1 = IC2 vaø VC1 = VC2 , ñieän aùp ñaët vaøo maùy ño baèng 0. Treân sô ñoà bieán trôû R3 ñöôïc duøng ñeå ñieàu chænh möùc “zero” cuûa ñoàng hoà. Nhôø R3 coù theå ñieàu chænh ñeå hai nöûa vi sai hoaøn toaøn caân baèng veà maët taûi vaø do ñoù doøng chaïy qua hai transistor, töùc laø ñieàu chænh ñöôïc VC1 vaø VC2. Giaû söû taùc duïng vaøo ñaùy Q1 moät ñieän aùp döông nhoû laøm doøng IC1 taêng leân. Doøng IC1 taêng leân bao nhieâu thì doøng IC2 giaûm xuoáng baáy nhieâu do 2 nöûa maéc vi sai, vaø ñieàu ñoù khieán VC1 giaûm vaø VC2 taêng leân. Keát quaû laø cheânh leäch ñieän aùp ñaët vaøo maùy ño seõ taêng leân gaáp ñoâi. Ta coù : V = VC1 – VC2 = AV . Vi hfeRL Trong ñoù AV laø heä soá khueách ñaïi ñieän aùp cuûa maïch: AV = ; hie hfe = β – Heä soá khueách ñaïi ñoøng ñieän; hie = RBE – Ñieän trôû base-emiter cuûa tranzistor khi nhìn töø ñaùy cuûa transistor. Thoâng thöôøng giaù trò hie = 1-2 KΩ ñoái vôùi doøng xoay chieàu. –Ví duï 1: Maïch voân keá khueách ñaïi vi sai nhö hình 2-20. R2 = R5 = 4,7KΩ, R3 = 500Ω, R4 = 3,3KΩ, ±VCC = ±15V. Haõy xaùc ñònh caùc möùc doøng vaø aùp trong maïch ôû cheá doä tónh (khi Vi =0). Ta coù: khi Vi =0, VB1 = VB2 = 0; Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 48 - 0 −VBE − (−VCC ) 0 − 0,7V − (−15V ) I E1 + I E2 = = = 4,33mA R4 3,3KΩ 4,33mA Vaø: I = I = = 2,17mA E1 E 2 2 IC1 = IC2 ≈ IE = 2,17 mA VRL1 = VRL2 = IC (R2 + R3/2) = 2,17 mA (4,7 KΩ + 500Ω /2 ) = 10,7 V VC1 = VC2 = VCC – VRL = 15V – 10,7 V = 4,3 V. –Ví duï 2: Caùc tham soá cuûa maïch voân keá khueách ñaïi vi sai nhö ví duï 1. Caùc transistor coù hfe = 80, hie =1,5KΩ. Cô caáu ño coù doøng leäch toaøn thang laø Ig = 100µA, ñieän trôû khung daây laø Rg = 1,2 KΩ. Haõy tính giaù trò ñieän trôû phuï RS ñeå kim ñieän keá chæ ñoä leäch toaøn thang khi ñieän aùp vaøo Vi = 10 mV. Ta coù: 1 h fe RL h fe (R2 + 2 R3 ) AV = = = 264 hie hie Ñieän aùp ñaët vaøo cô caáu ño seõ laø: V = AV . Vi = 264. 10 mA = 2,64 V. Ig = V/ (Rg + RS) RS = V /Ig – Rg = 2,64 V / 100 µA – 1,2 KΩ = 25,2 KΩ. 3.4.2. .Maïch voân keá duøng khueách ñaïi hoài tieáp. Sô ñoà nguyeân lyù maïch cuûa voân keá khueách ñaïi hoài tieáp chæ ra treân hình 2-21. Trong ñoù Q1 vaø Q2 ñöôïc maéc nhö boä khueách ñaïi vi sai vôùi nguoàn doøng haèng ñöôïc thieát keá I = 2mA; Ta coù I = IC1 + IC2 = 2IC1 = 2IC2 = 2mA; Suït aùp treân ñieän trôû R2 laø: VR2 = IC1 R2 = 1mA. 8,2KΩ = 8,2V. Theá colector cuûa Q1 seõ laø: VC1 = VCC – VR2 = 12V – 8,2V = 3,8V. Vì cöïc ñaùy Q3 ñöôïc noái vôùi colector Q1 neân ta coù: VB3 = VC2 = 3,8V. +12 V R2 8,2V 8,2K +4,5V 3,8V Q3 1mA 1mA R4 Rs+Rg Vi Q1 Q2 9,9K Vo R1 12V R5 R3 12K 100 - 12 V -Vcc Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 49 - Hình 2-20. Voân keá transistor khueách ñaïi hoài tieáp. Transistor Q3 ñöôïc caáp nguoàn VEE = +4,5V, ñieän aùp tieáp giaùp B-E cuûa Q3 laø 0,7Vù. Neáu maïch thieát keá ñeå sao cho IC3 = 1mA, thì suït aùp treân R5 seõ laø: VR5 = IC3R5 = 1mA.12KΩ = 12 V; Vaø VC3 = –VCC + VR5 = –12V + 12V = 0V. VB2 ≡ VC3 = 0V. Nhö vaäy theá cöïc ñaùy cuûa Q1 vaø Q2 ñeàu baèng 0V khi ñieän aùp vaøo Vi = 0. Vôùi caùch maéc Q3 nhö vaäy laøm cho ñieän aùp base Q2 luoân luoân caân baèng vôùi ñieän aùp base cuûa Q1. Thaät vaäy, ta giaû söû raèng VB2 VB1 thì quaù trình hoài tieáp seõ laøm cho IC3 giaûm, VC3 giaûm vaø keùo VB2 giaûm xuoáng baèng VB1. Nhö vaäy trong moïi tröôøng hôïp theá ñaùy Q1 vaø Q3 luoân töï ñoäng caân baèng laãn nhau. Neáu theá ñaùy cuûa Q1 taêng leân cao hôn hoaëc xuoáng thaáp hôn möùc 0 thì ñaùy cuûa Q2 cuõng bieán ñoåi laëp laïi ñuùng nhö vaäy. Neáu maéc maùy ño vaøo ñaàu ra nhö treân hình veõ 2-20, maïch seõ hoaït ñoäng gioáng nhö moät voân keá maïch gaùnh emiter tuyeät vôøi. Ñeå maïch coù theå hoaït ñoäng toát caùc transistor Q1 vaø Q2 phaûi hoaøn toaøn gioáng nhau. Baây giôø giaû söû maéc theâm moät ñieän trôû R3 = 100 Ω (ñöôøng chaám chaám), maïch vaãn duy trì traïng thaùi caân baèng theá ñaùy cuûa Q2 vaø Q1. Khi taùc duïng vaøo ñaùy Q1 ñieän aùp Vi = 10mV, ñaàu ra cuõng taêng tôùi möùc ñieän aùp VB2 = 10mV. Vì R3 vaø R4 laø boä chia aùp neân ñieän aùp treân ñieän trôû (R3 + R4) laø: R3 + R4 Vo = 10 mV ⋅ R3 R3 + R4 9,9KΩ +100Ω Hay Vo = Vi ⋅ = 10 mV ⋅ = 1 V ; R3 100Ω Nhö vaäy ñieän aùp vaøo 10mV ñaõ ñöôïc khueách ñaïi leân thaønh ñieän aùp ra 1V, vaø ñoä lôùn 1V coù theå ñöa vaøo cô caáu ño. Ñoä khueách ñaïi cuûa maïch laø: R3 + R4 A V = R3 –Ví duï: Maïch voân keá khueách ñaïi hoài tieáp nhö hình 2-21 söû duïng ñieän keá töø ñieän coù doøng leäch toaøn thang Ig = 1mA. Ñieän trôû cuûa maïch maùy ño laø RS + Rg = 1KΩ. Haõy xaùc ñònh ñieän aùp ñaàu vaøo khi kim maùy ño chæ 25% ñoä leäch toaøn thang, tính doøng IC3 luùc ñoù. Ta coù khi ñieän keá chæ 25% ñoä leäch toaøn thang coù nghóa laø doøng qua maùy ño luùc naøy baèng: Ig = 25% 1mA = 0,25 mA; Ñieän aùp ra: Vo = Ig (RS+Rm) = 0,25 mA. 1KΩ = 250 mV; Ñieän aùp vaøo: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 50 - R3 100Ω Vi =VR3 =Vo = 250mV. = 2,5mV . R3 + R4 100Ω + 9,9KΩ Doøng treân collector Q3 seõ laø: V V − (−V ) I = I + I + I = o + o CC + I C3 R4 R5 g R + R R g 3 4 5 250mA 250mV − (−12V) = + + 0,25mA ≈ 1,3mA 100Ω + 9,9KΩ 12KΩ 3.5.Voân keá söû duïng maïch khueách ñaïi thuaät toaùn (OP- AMP). 3.5.1. Voân keá duøng maïch khueách ñaïi laëp laïi. Sô ñoà cuûa voân keá treân khueách ñaïi thuaät toaùn maéc theo kieåu laëp laïi ñieän aùp nhö treân hình 2-22. Taàng laëp laïi ñieän aùp duøng OP-AMP coù öu ñieåm laø maïch ñôn giaûn, trôû khaùng loái vaøo raát lôùn, trôû khaùng ra nhoû deã phoái hôïp vôùi maïch ño. Boä suy giaûm Maïch laëp laïi ñieän aùp Maïch maùy ño ñaàu vaøo +V Vi Ra cc + Rb - Rc -Vcc Rs+Rg R4 Rd Hình 2-22. Voân keá duøng maïch khueách ñaïi thuaät toaùn 3.5.2. .Voân keá khueách ñaïi treân OP-AMP. Ñoái vôùi caùc tín hieäu ñieän aùp nhoû caàn phaûi khueách ñaïi leân möùc caàn thieát tröôùc khi ñöa vaøo maïch ño. Sô ñoà maïch voân keá khueách ñaïi cô baûn nhö hình 2-23. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 51 - +Vcc IB + Vo Vi - -V cc Rs+Rg R4 I4 R3 Hình 2-23. Voân keá khueách ñaïi treân OP-AMP Maïch maéc theo kieåu khueách ñaïi khoâng ñaûo. Heä soá khueách ñaïi cuûa maïch phuï thuoâc vaøo tyû soá cuûa maïch phaân aùp treân R3 vaø R4: R4 A V = 1 + (2-17) R3 Doøng qua boä phaân aùp I4 ñöôïc choïn lôùn hôn raát nhieàu so vôùi doøng vaøo IB, do ñoù doøng IB khoâng coù aûnh höôûng lôùn tôùi ñieän aùp hoài tieáp. Ñieän trôû toaøn phaàn R3 +R4 ñöôïc tính nhö sau: R3 + R4 = Vo / I4 (2-18) Vì VR3 = Vi neân: R3 = Vi / I4 (2-19) –Ví duï: Sô ñoà cuûa moät voân keá khueách ñaïi treân OP-AMP nhö hình 2-23. Heä soá khueách ñaïi ñieän aùp cuûa OP-AMP laø AV = 200.000 vaø doøng ñònh thieân vaøo IB = 0,2 µA. Ñieän aùp caàn ño coù giaù trò cöïc ñaïi 20 mV; Cô caáu ño coù doøng leäch toaøn thang laø Ig = 100µA, RS + Rg = 10KΩ. Haõy xaùc ñònh caùc giaù trò thích hôïp cuûa R3 vaø R4 vaø tính ñieän trôû vaøo cuûa voân keá. Töø hình veõ ta coù: Ñieàu kieän ñaët ra laø I4 >> IB, Ta choïn: I4 = 1000 IB = 1000 . 0,2 µA = 0,2 mA Taïi ñoä leäch toaøn thang ño: Ig = 100 µA vaø: Vo = Ig (RS + Rg) = 100µA . 10KΩ = 1V. Ta coù: R3 + R4 = Vo / I4 = 1V / 0,2 mA = 5KΩ R3 = Vi / I4 = 20 mV / 0,2mA = 100Ω; R4 = (R3 + R4 ) – R3 = 5KΩ – 100Ω = 4,9 KΩ; Ñieän trôû vaøo cuûa maïch ño: Ri = Vi / IB = 20mV / 0,2 µA = 100 KΩ. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 52 - 3.5.3. Voân keá söû duïng maïch bieán ñoåi ñieän aùp thaønh doøng ñieän. Sô ñoà nguyeân lyù maïch chæ ra treân hình 2-24. +Vcc IB Vo + Vi - Rg -Vcc VR3 I B R3 Hình 2-24. Voân keá söû duïng maïch bieán ñoåi ñieän aùp thaønh doøng ñieän Vôùi maïch khueách ñaïi khoâng ñaûo, ñieän aùp treân R3 (VR3) luoân bieán ñoåi laëp laïi giaù trò cuûa ñieän aùp vaøo. Nhö vaäy doøng chaïy qua ñieän keá seõ laø: V I = i (2-20) R3 Neáu bieát doøng leäch toaøn thang cuûa ñieän keá laø Ig thì giaù trò cuûa ñieän trôû R3 seõ ñöôïc tính: R3 = Vi / Ig (2-21) Ñieän trôû R3 thöôøng ñöôïc thieát keá thaønh moät phaàn coá ñònh vaø moät phaàn laø bieán trôû coù theå ñieàu chænh ñöôïc. Vôùi caùch maéc nhö vaäy ta deã daøng chuaån ñoä ñöôïc thang ño cuûa ñoàng hoà. –Ví duï: Cho maïch voân keá söû duïng maïch bieán ñoåi ñieän aùp thaønh doøng ñieän nhö hình 2-24. Cô caáu ño coù doøng leäch toaøn thang laø Ig = 1mA, Rg = 100 Ω. Haõy tính giaù trò cuûa ñieän trôû R3 sao cho vôùi ñieän aùp vaøo laø Vi =1V thì kim ñieän keá chæ ñoä leäch toaøn thang. Xaùc ñònh ñieän aùp toái ña ôû ñaàu ra cuûa OP-AMP. Ta coù : R3 = Vi / Ig = 1V / 1mA = 1KΩ Vo = I(R3 + Rg ) = 1mA (1 kΩ + 100 Ω) = 1,1 V. 3.6. Ño ñieän aùp xoay chieàu. Do cô caáu töø ñieän chæ ño ñöôïc caùc ñieän aùp moät chieàu. Ñeå duïng cuï coù theå ño ñöôïc ñieän aùp doøng xoay chieàu, ngöôøi ta söû duïng caùc maïch chænh löu nöûa chu kyø hoaëc caû chu kyø treân caùc linh kieän baùn daãn. Ñoái vôùi caùc ñieän aùp xoay chieàu thaáp caàn ñöôïc khueách ñaïi leân tröôùc khi chænh löu vaø ñöa vaøo maïch ño. Tuøy thuoäc vaøo trò soá ñieän aùp caàn ño maø thieát keá maïch taùch soùng töông öùng: – Taùch soùng ñænh (hoaëc bieân ñoä); Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 53 - – Taùch soùng trung bình; – Taùch soùng hieäu duïng. 3.6.1. Caùc maïch taùch soùng ñænh. Trong maïch taùch soùng ñænh, bieân ñoä cuûa ñieän aùp ra tæ leä vôùi trò soá bieân ñoä ñieän aùp vaøo: Vo = ⎜Vimax ⎜. Coù 3 kieåu taùch soùng ñænh: a)Taùch soùng ñænh ngoõ vaøo diode. Sô ñoà nguyeân lyù cuûa maïch taùch soùng ñænh ngoõ vaøo diode treân hình 2-25, a. D Vo Vi Vo + C Ri t a) b) Hình 2-25 Khi Vi > VC (theá treân tuï), diode D daãn, tuï C ñöôïc naïp tôùi Vimax. Khi Vi VD, diode môùi daãn. Khi diode daãn thì ñieän trôû thuaän Rth cuûa diode thay ñoåi theo doøng ñoå qua diode, daãn tôùi laøm thay ñoåi thôøi haèng cuûa maïch naïp τn = RthC. – Do toàn taïi ñieän trôû nghòch cuûa diode Rng maéc song song vôùi Ri, neân khi diode ngöng daãn, tuïc C xaû qua ñieän trôû Ri // Rng, daãn ñeán laøm thay ñoåi thôøi haèng cuûa Ri Rng maïch phoùng τ P = .C . Ri + Rng b) Taùch soùng ñænh ngoõ vaøo tuï. (Phöông phaùp maïch ghim ñieän aùp). + Maïch ghim ñænh döông (hình 2-26, a) – ÔÛ baùn kyø döông cuûa ñieän aùp tín hieäu, D thoâng , tuï C ñöôïc naïp tôùi trò ñænh VP. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 54 - . – ÔÛ baùn kyø aâm, diode D khoùa, theá atoát cuûa D baèng theá vaøo hình sin coäng vôùi VP, keát quaû möùc DC cuûa ñieän aùp ra bò dòch xuoáng döôùi truïc hoaønh moät möùc baèng VP. Neáu maéc loái ra vôùi cô caáu ño, ta seõ ño ñöôïc trò trung bình cuûa ñieän aùp Vo, töùc giaù trò ñænh VP. C + Vo Vi Vo t Ri D VP a) C + Vo Vi Vo Ri VP D t b) Hình 2-26. Phöông phaùp maïch ghim ñieän aùp + Maïch ghim ñænh aâm (hình 2-26, b). Sô ñoà ghim ñænh aâm chæ ra treân hình 2-26, b. Hoaït ñoäng cuûa maïch töông töï nhö ôû sô ñoà ghim ñænh döông. ÔÛ baùn kyø aâm tín hieäu D thoâng , C naïp tôùi trò ñænh VP vôùi cöïc tính nhö hình veõ. ÔÛ baùn kyø döông cuûa tín hieäu, D khoùa, ñieän aùp ra treân taûi Ri baèng theá vaøo hình sin coäng vôùi VP, c) Maïch taùch soùng bieân ñoä duøng OP-AMP. Caùc maïch taùch soùng ñænh (hoaëc bieân ñoä) ôû treân ñeàu maéc phaûi sai soá do theá phaân cöïc thuaän cho diode VD, do vaäy khi ñieän aùp tín hieäu beù gaây meùo phi tuyeán ñaùng keå. Hieän nay trong caùc thieát bò ño ngöôøi ta duøng phoå bieán caùc maïch taùch soùng bieân ñoä treân khueách ñaïi thuaät toaùn (hình 2-27). R2 D1 R1 - D2 Vi V1 + V2 Vo Rt Ct Hình 2-27. Taùch soùng bieân ñoä treân OP-AMP Maïch maéc theo sô ñoà khueách ñaïi ñaûo. ÔÛ nhöõng nöûa chu kyø döông cuûa ñieän aùp tín hieäu Vi, ñieän aùp V2 loái ra OP-AMP seõ aâm, diode D1 môû, D2 khoaù. Loái ra cuûa khueách ñaïi thuaät toaùn noái vôùi loái vaøo qua ñieän trôû thuaän raát nhoû cuûa D1 neân taïo ra hoài Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 55 - tieáp aâm saâu. Keát quaû ñieän aùp treân loái ra OP-AMP baèng ñieän aùp treân loái vaøo cuûa noù vaø gaàn baèng 0. Ñieän aùp loái ra cuûa maïch taùch soùng cuõng baèng 0. ÔÛ nhöõng nöûa chu kyø aâm cuûa ñieän aùp ñieän aùp Vi, theá loái ra V2 cuûa OP-AMP seõ döông laøm D1 khoùa vaø D2 môû. Luùc naøy ñieän aùp treân loái ra cuûa maïch taùch soùng seõ xaùc ñònh theo heä thöùc: R2 Vo = V2 = −Vi ⋅ (2-23) R1 3.6.2. Voân keá taùch soùng trung bình. Ñeå ño trò trung bình cuûa ñieän aùp tín hieäu, ngöôøi ta söû duïng maïch taùch soùng trung bình. Ñieän aùp loái ra tính theo coâng thöùc: 1 T V v(t)dt (2-24) tb = ∫ T 0 Caùc phaàn töû taùch soùng laø diode Ge hoaëc Si laøm vieäc treân ñoaïn thaúng cuûa ñaëc tuyeán, do vaäy tín hieäu ñöa vaøo phaûi ñuû lôùn. Sô ñoà maïch cuûa moät voân keá chænh löu trung bình ñöôïc chæ ra treân hình 2-28. ÔÛ ñaàu vaøo laø tuï gheùp C1 ñeå ngaên caùc thaønh phaàn moät chieàu khoâng mong muoán. Tín hieäu ñöôïc ñöa qua maïch suy giaûm loái vaøo, sau ñoù qua taàng khueách ñaïi laëp laïi treân OP- AMP ñeå taêng trôû khaùng loái vaøo cuûa maïch. Ñieän aùp loái ra cuûa maïch laëp aùp ñöôïc ñöa qua maïch chænh löu tröôùc khi ñöa tôùi maïch maùy ño. Vì caùc giaù trò: trò ñænh Vp, trò hieäu duïng V, trò trung bình Vtb ñeàu coù moái lieân heä vôùi nhau, neân coù theå khaéc ñoä ñoàng hoà theo moät trong 3 ñaïi löôïng: VP = 2V ; (2-25) 1 V = VP ; (2-26) 2 1 π 2V V V sin d P 0,6V (2 -27) tb = ∫ P θ θ = ≈ P π 0 π Maïch KÑ laëp Tuï gheùp Maïch suy giaûm Chænh löu +Vcc Maïch maùy ño C1 + Vo Vi R1 - Rs -Vcc R2 Rg R3 Hình 2-28. Voân keá taùch soùng trung bình æ Caùc quan heä treân khoâng thay ñoåi ñoái vôùi moïi taàn soá daïng soùng sin. Vôùi caùc ñieän aùp khaùc daïng sin phaûi tieán haønh hieäu chænh. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 56 - Ñoái vôùi maïch chænh löu nöûa soùng nhö hình 2-28 thì suït aùp thuaän treân diode VD seõ gaây ra sai soá cho maïch ño. Khi thieát keá thöôøng coù tính ñeán ñoái vôùi ñoä leäch toaøn thang. Tuy nhieân, ôû caùc ñieåm khaùc treân thang ño seõ xuaát hieän sai soá do VD gaây ra, maët khaùc giaù trò cuûa VD khoâng phaûi luoân luoân baèng 0,7V ñoái vôùi diode Si nhö thöôøng giaû ñònh, maø noù thay ñoåi theo nhieät ñoä. Ñeå loaïi boû sai soá do ñieän aùp ngöôõng VD gaây ra nguôøi ta maéc diode chænh löu trong voøng hoài tieáp cuûa maïch laëp aùp nhö hình 2-29. Keát quaû ñaàu ra boä chænh löu nöûa soùng laëp laïi chính xaùc nöûa chu kyø döông cuûa ñieän aùp vaøo. Caùc tuï ñieän C2, C3 vaø C4 maéc song song vôùi caùc ñieän trôû cuûa boä suy giaûm nhaèm muïc ñích buø tröø ñieän dung vaøo cuûa boä khueách ñaïi ñoái vôùi ñieän aùp xoay chieàu. +Vcc C1 + Vo Vi R1 C2 - Rs -Vcc C3 R2 Rg Chænh löu chính xaùc C4 R3 Hình 2-29. Voân keá söû duïng maïch chænh löu chính xaùc Ñoái vôùi caùc ñieän aùp xoay chieàu nhoû caàn ñöôïc khueách ñaïi chính xaùc tröôùc khi chænh löu vaø ñöa vaøo maïch ño. Maïch khueách ñaïi chænh löu nöûa soùng chính xaùc nhö hình 2-30. Heä soá khueách ñaïi cuûa maïch phuï thuoäc töông quan giöõa caùc ñieän trôû cuûa caàu phaân aùp R2, R3: R2 + R3 AV = (2-28) R3 +Vcc C1 D1 + Vo Vi - R1 R2 Rs -Vcc Rg Khueách ñaïi chænh löu R3 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 57 - Hình 2-30. Voân keá xoay chieàu ño caùc tín hieäu nhoû Vieäc tính toaùn caùc ñieän trôû phuï noái tieáp vôùi cô caáu ño cuõng hoaøn toaøn töông töï nhö caùc tính toaùn ñoái vôùi caùc voân keá töø ñieän. Tuy nhieân trong tröôøng hôïp naøy, ñieän aùp toái ña ñaët vaøo ñieän keá vaø ñieän trôû noái tieáp vôùi noù laø AVVi. Treân hình 2-31 laø maïch bieán ñoåi ñieän aùp thaønh doøng ñieän vôùi boä chænh löu nuûa soùng. Hoaït ñoäng cuûa maïch töông töï nhö maïch hình 2-24 ñoái vôùi nhöõng nöûa chu kyø döông cuûa ñieän aùp tín hieäu. Trong caùc nöûa chu kyø aâm, diode bò thieân aùp ngöôïc neân khoùa vaø khoâng coù doøng qua maùy ño. Doøng cöïc ñaïi qua maùy ño laø: ViP I m = (2-29) RS Doøng trung bình qua maùy ño laø : Itb = 1/2 (0,637 Im) (2-30) +V C1 D1 Rg + Doøng qua maùy ño Vi - R1 -V Rs Hình 2-31. Maïch bieán ñoåi ñieän aùp thaønh doøng ñieän vôùi chænh löu nöûa soùng Ñeå giaûm toån hao nguoàn vaø taêng ñoä nhaïy cuûa maïch ño thöôøng söû duïng maïch chænh löu toaøn soùng nhö hình 2-32. Luùc naøy, doøng cöïc ñaïi cuûa maùy ño vaãn tính theo coâng thöùc (2-29), tuy nhieân doøng trung bình qua maùy ño seõ taêng gaáp ñoâi, töùc laø: Itb = 0,637 Im (2-31) Rg +V C1 + + Vi - R1 - -V Doøng qua maùy ño Rs Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 58 - Hình 2-32. Boä ñoåi ñieän aùp thaønh doøng ñieän vôùi boä chænh löu toaøn soùng chính xaùc. 3.6.3. Voân keá taùch soùng hieäu duïng. Ñeå ño trò hieäu duïng cuûa ñieän aùp tín hieäu, söû duïng caùc maïch taùch soùng hieäu duïng. Ta coù, trò hieäu duïng cuûa ñieän aùp tính theo coâng thöùc: 1 T U = ∫ u 2 (t)dt (2-32) T 0 Maïch phaûi thöïc hieän 3 chöùc naêng: bình phöông, laáy trung bình vaø khai caên. Muoán vaäy phaûi coù caùc phaàn töû sau: – Phaàn töû taùch soùng coù ñaëc tuyeán baäc 2 ñeå laøm thuaät toaùn bình phöông; – Phaàn töû loïc ñeå laáy trò trung bình; – Phaàn töû thöïc hieän pheùp khai caên. Noùi chung, phöông trình bieåu thò daïng ñaëc tuyeán cuûa phaàn töû taùch soùng coù daïng: I = αu + βu2., (2-33) Neáu ñieän aùp ño laø ñieän aùp bieán ñoåi coù chu kyø nhöng coù daïng phöùc taïp: ∞ uk = ∑U mk sin kωt , thì doøng taùch soùng ñöôïc xaùc ñònh qua ñaëc tuyeán Voân-ampe laø: k =1 2 i = α (Um1sinωt + Um2 sin 2ωt + ) + β (Um1 sin ωt + Um2 sin 2ωt + ) ; Thöïc hieän caùc bieán ñoåi löôïng giaùc caàn thieát, ta coù theå taùch rieâng thaønh phaàn moät chieàu. Ñeå ño doøng naøy ta maéc moät µA song song vôùi moät tuï ñieän. Doøng naøy baèng: ∞ 1 2 I o = β ∑U ak (2-34) 2 k =1 2 2 Neáu thay U mk = U k 2 & ∑U k = U .Ta coù: 2 I o = βU (2-35) Nhö vaäy, doøng taùch soùng tæ leä vôùi bình phöông trò hieäu duïng cuûa ñieän aùp ño, noù khoâng phuï thuoäc vaøo daïng ñieän aùp, do vaäy voân meùt loaïi naøy coù theå ño ñöôïc caùc daïng ñieän aùp khaùc nhau. Coù nhieàu phöông phaùp taùch soùng hieäu duïng khaùc nhau: – Duøng hieäu öùng Hall; – Duøng maïch taïo haøm baäc 2 treân caùc maét diode. a.Maïch taïo haøm baäc 2. Treân hình 2-33 laø sô ñoà nguyeân lyù cuûa maïch taïo haøm baäc 2 nhôø caùc maét ñieän trôû – diode. Moãi maét ñöôïc caáu taïo töø moät diode vaø moät boä phaân aùp baèng ñieän trôû (hình 2-33, b). Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 59 - Do + R1c R2c R3c D1 D2 D3 Ro u x io U1 U2 U3 C Do R1 R2 R3 - i i1 i2 i3 a) R1c i1 D1 + u x (t) i1 U1 R1 - U1 ux b) c) Hình 2-33. Mach taùch soùng hieäu dung duøng caùcmaétñieän Ñeå ñôn giaûn, ta giaû söû diode coù ñieän trôû thuaän Rth = 0, vaø ñieän trôû nghòch laø Rng =∞. Nhö vaäy seõ khoâng coù doøng qua diode khi ñieän aùp ñaët leân noù nhoû hôn ñieän aùp khoaù cuûa diode (hình 2-33, c). Caùc maét diode ñöôïc maéc noái tieáp vôùi nhau baèng caùc maïch phaân aùp. Caùc ñieän trôû ñöôïc boá trí sao cho trò soá ñieän aùp khoùa cuûa diode sau lôùn hôn trò soá ñieän aùp khoùa cuûa diode ñöùng tröôùc noù: U1 < U2 < U3 < ; Hoaït ñoäng cuûa maïch nhö sau: Khi ñieän aùp vaøo Ux(t) < U1, caùc diode D1, D2 vaø D3 bò khoùa. Doøng ñieän qua maïch R0 vaø ñoàng hoà ño laø i0. Khi U1 < Ux(t) < U2 , diode D1 môû, caùc diode D2 vaø D3 khoùa. Doøng qua ñoàng hoà ño laø i0 + i1. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 60 - i Khi U2 < Ux(t) < U3 , caùc diode D1, 0 D2 môû, D3 khoùa. Doøng qua maïch ñoàng hoà Ux laø baây giôø laø i0 + i1 + i2. i1 Khi U3 < Ux(t) , caùc diode D1, D2 vaø U1 i2 Ux D3 ñeàu daãn. Doøng toång coäng qua maïch ñoàng hoà seõ laø i0 + i1 + i2 + i3. U i 2 U Keát quaû ñaëc tính voân – ampe cuûa 3 x maïch bieán ñoåi seõ coù daïng gaàn ñuùng nhö U3 Ux moät nöûa parabol (hình 2-34). i0 + i1+ i2 + i3 Neáu soá maét ñieän trôû - diode caøng i∑ nhieàu thì ñaëc tuyeán cuûa maïch caøng gaàn i0 + i1+ i2 ñuùng baäc hai. i + i Caùc voân meùt ñieän töû coù maïch taùch 0 1 soùng duøng ñaëc tuyeán baäc hai treân cô sôû i0 caùc maét diode – ñieän trôû nhö ñaõ trình baøy Ux laø B3-6, B3-18. Hình 2-34. Ñaëc tính voân-ampe cuûa maïch taïo haøm baäc hai treân caùc maét diode b.Maïch laáy trò trung bình. Söû duïng maïch loïc RC ñôn giaûn (hình 2-35, a) hoaëc duøng keát hôïp maïch khueách ñaïi thuaät toaùn (hình 2-35, b). R2 C R R1 Vi - Vo Vi Vo + C a) b) Hình 2-35 Ñoái vôùi sô ñoà hình 2-35, a ta coù: 1 V jωC 1 o = = (2-36) V 1 1+ jωRC i R + jωC Ñoái vôùi sô ñoà hình 2-35, b: 1 R // V 2 jωC R 1 o = - = - 2 ⋅ (2-37) Vi R1 R1 1+ JωCR2 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 61 - c) Maïch khai caên. Maéc moät maïch nhaân trong voøng hoài tieáp cuûa moät maïch khueách ñaïi ta seõ ñöôïc ñieän aùp loái ra laø caên baäc 2 cuûa ñieän aùp loái vaøo (hình 2-36). R R R Vi - Vo - + V R o Vi + a) b) Hình 2-36. Maïch khai caên V Ñoái vôùi hình 2-36, a ta coù: V = −AV ⇒ V = − i (2-38) i o o A Ñoái vôùi sô ñoà hình 2-36, b thì: V V = AV ⇒ V = i (2-39) i o o A § 4. ÑO ÑIEÄN AÙP BAÈNG CAÙC VOÂN MEÙT SOÁ 4.1. Khaùi nieäm chung. Trong caùc voân meùt hieän soá, keát quaû ño ñöôïc chæ thò baèng soá treân maët cuûa ñoàng hoà ño baèng moät trong caùc boä chæ thò ñaõ noùi ñeán trong chöông 1. Sô ñoà caáu truùc cuûa moät voân meùt soá nhö hình 2-37. ux Thieát bò ADC Ñeám Giaûi vaøo õ Ñieàu Chæ thò khieån Hình 2-37. Sô ñoà caáu truùccuûa moät voân Thieát bò vaøo chöùa boä suy giaûm, boä chuyeån maïch choïn thang ño, choïn daïng ñieän aùp ño: DC hay AC. Neáu laø thang ño ñieän aùp xoay chieàu thì maïch chöùa caû phaàn taùch soùng. ADC (Analog to Digital Converter) – Khoái chöùc naêng thöïc hieän bieán ñoåi ñieän aùp töông töï loái vaøo sang daïng soá. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 62 - Ñieän aùp loái ra ADC laø daïng maõ soá ñöôïc ñöa vaøo boä ñeám, keát quaû ñeám seõ ñöôïc ñöa qua khoái giaûi maõ vaø ñöa ra chæ thò. Hoaït ñoäng cuûa caùc khoái chöùc naêng ñöôïc ñieàu khieån nhôø khoái ñieàu khieån chung. Phaàn chöùc naêng quan troïng nhaát cuûa voân keá soá laø khoái bieán ñoåi ADC. Coù nhieàu phöông phaùp thöïc hieän chöùc naêng treân, tuy nhieân trong caùc voân keá thöôøng söû duïng caùc phöông phaùp sau: – Phöông phaùp bieán ñoåi ñieän aùp sang taàn soá (V/F); – Phöông phaùp bieán ñoåi ñieän aùp sang khoaûng thôøi gian (V/T); – Phöông phaùp xaáp xæ gaàn ñuùng lieân tieáp. 4.2. Phöông phaùp bieán ñoåi ñieän aùp sang taàn soá. 4.2.1. Nguyeân taéc. Ñieän aùp caàn ño ñöôïc bieán ñoåi sang taàn soá theo quan heä baäc nhaát f = αVi (2-40 Sau ñoù ño trò trung bình cuûa taàn soá trong moät khoaûng thôøi gian xaùc ñònh 1 T (2-41) f tb = ∫ fdt =αVo T 0 4.2.2. Sô ñoà nguyeân lyù Sô ñoà nguyeân lyù cuûa moät voân keá soá thöïc hieän theo nguyeân taéc bieán ñoåi V/F chæ ra treân hình 2-38. Vi V/F Ñeám Choát G. maõ ÑIEÀU KHIEÅN Ch. thò xoùa Ñeám Hình 2-38. Ñieän aùp caàn ño Vi ñöôïc bieán ñoåi sang taàn soá fx, sau ñoù fx ñöôïc ño baèng caùch ñeám soá xung trong moät khoaûng thôøi gian xaùc ñònh. Xung ñi vaøo boä ñeám ñöôïc ñieàu khieån bôûi söï ñoùng môû cuûa cöûa choïn xung AND. Cöûa AND chæ cho xung nhòp qua trong khoaûng thôøi gian toàn taïi cuûa xung ñieàu khieån. Giaû söû ñoä roäng xung ñieàu khieån laø τ; chu kyø cuûa xung clock laø Tx; Soá xung ñi vaøo boä ñeám trong khoaûng thôøi gian môû cöûa laø N. Nhö vaäy ta coù: N Tx = τ , hay Tx = τ / N ⇒ fx = N/ τ. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 63 - Neáu choïn τ = 1s thì fx = N. Soá ñeám ñöôïc ñöa qua maïch choát sau ñoù ñöa qua maïch giaûi maõ vaø chæ thò. Heát thôøi gian môû cöûa, boä ñieàu khieån phaùt xung xoùa keát quaû ôû boä ñeám, vaø boä ñeám laïi chuaån bò chu kyø môùi. 4.2.3. Boä bieán ñoåi ñieän aùp sang taàn soá (V/F) . Ñieän aùp caàn ño ñöôïc bieán ñoåi thaønh moät daõy xung coù chu kyø laëp laïi tæ leä vôùi ñieän aùp ño. Sô ñoà nguyeân lyù cuûa boä bieán ñoåi ñieän aùp sang taàn soá (V/F) nhö hình 2-39 C Vi R - R - V V U1+ 2 3 U2+ ÑO V1 Io SW Hình 2-39. Maïch bieán ñoåi V/F Hoaït ñoäng cuûa maïch nhö sau: Giaû söû theá loái vaøo Vi >0, Theá loái ra maïch tích phaân treân U1 seõ laø: 1 t V t V V dt i (2-41) 1 = − ∫ i = − RC 0 RC V1 Vi / R. Luùc naøy theá loái ra maïch tích phaân seõ laø: I t V t V = 0 − i > 0 (2-42) 1 C C V1 >0, Theá loái ra maïch tích phaân seõ ñi leân trong khoaûng thôøi gian t0. Heát thôøi gian t0, nguoàn doøng bò caét (chuyeån maïch SW bò hôû maïch ), vaø theá loái ra maïch tích phaân laïi ñi xuoáng trong khoaûng thôøi gian t1. Khi qua 0 maïch so saùnh laïi laät traïng thaùi vaø kích maïch ñôn oån phaùt xung ñoùng cöûa nguoàn doøng, tieáp tuïc chu kyø tieáp theo. Nhö vaäy ta coù: I t V t V t 0 0 − i 0 = i 1 C RC RC V (t + t ) I t i 1 0 = 0 0 ; ⇒ VT = I t R RC C i x 0 0 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý