Giáo án kỷ thuật đo lường - Chương 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
Mỗi mạch đo đều có những đặc tính kỹ thuật cụ thể quyết định tính chất, tác
dụng của mạch đo đó, tùy từng mạch đo sẽ có những đặc tính riêng biệt, tuy nhiên
có thể xét những đặc tính cơ bản chung của các loại mạch đo khác nhau.
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
CHƯƠNG 6.
MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO (3 LT)
6.1. Khái niệm chung.
a) Định nghĩa: mạch đo là thiết bị kĩ thuật làm nhiệm vụ biến đổi, gia công
thông tin tính toán, phối hợp các tin tức với nhau trong một hệ vật lý thống nhất.
b) Phân loại: theo chức năng có các loại mạch đo:
- Mạch tỉ lệ: thực hiện một phép nhân (hoặc chia) với một hệ số k, đại lượng
vào là x thì đại lượng ra là k.x. Ví dụ: sun, phân áp, biến dòng, biến áp…
- Mạch khuếch đại: thực hiện một phép nhân (hoặc chia) với một hệ số k (gọi
là hệ số khuếch đại) nhưng có công suúat tín hiệu ra lớn hơn công suất tín hiệu vào
(đại lượng vào điều khiển đại lượng ra).
- Mạch gia công và tính toán: thực hiện các phép tính: cộng, trừ, nhân, chia,
tích phân, vi phân, lôgarit, hàm mũ…
- Mạch so sánh: thực hiện so sánh giữa hai tín hiệu (thường là hai điện áp),
thường được sử dụng trong các thiết bị đo dùng phương pháp so sánh.
- Mạch tạo hàm: tạo ra những hàm số theo yêu cầu của phép đo, nhằm mục
đích tuyến tính hóa các đặc tính của tín hiệu đo ở đầu ra các bộ cảm biến.
- Mạch biến đổi A/D, D/A: biến đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số và
ngược lại, sử dụng cho kĩ thuật đo số và chế tạo các mạch ghép nối với máy tính.
- Mạch đo sử dụng kỹ thuật vi xử lý: mạch đo có cài đặt vi xử lý để tạo ra các
cảm biến thông minh, khắc độ bằng máy tính, nhớ và gia công sơ bộ số liệu đo…
Mạch đo càng phức tạp khi thiết bị đo càng hiện đại, chức năng càng chính xác.
Mạch đo có tác dụng làm tăng độ nhạy và độ chính xác của thiết bị đo và hệ thống
đo.
6.2. Các đặc tính cơ bản của mạch đo.
Mỗi mạch đo đều có những đặc tính kỹ thuật cụ thể quyết định tính chất, tác
dụng của mạch đo đó, tùy từng mạch đo sẽ có những đặc tính riêng biệt, tuy nhiên
có thể xét những đặc tính cơ bản chung của các loại mạch đo khác nhau.
6.2.1. Chức năng và phạm vi làm việc:
- Chức năng của mạch đo: chức năng cơ bản của mạch đo là thực hiện các
phép tính. Phương trình quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của mạch đo trong trường
hợp đơn giản là tỉ số W=Y/X với X là tập các đầu vào và Y là tập các đầu ra.
Trong trường hợp phức tạp thì W là một hàm của thời gian W(t) gọi là hàm truyền
đạt tương hỗ.
Dựa vào hàm truyền đạt W xác định được chức năng của mạch đo.
- Phạm vi của mạch đo: hàm truyền đạt W được xác định trong một phạm vi
nào đó của đại lượng vào và đại lượng ra gọi là phạm vi làm việc của mạch đo, vượt
ra ngoài phạm vi đó thì W không còn đảm bảo sai số cho phép.
6.2.2. Sai số:
Sai số trong mạch đo có thể chia làm hai loại:
1
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
- Sai số của chính bản thân mạch đo gây ra bởi những sự biến động về quan hệ
tương hỗ (hàm truyền đạt):
- Sai số do sự kết hợp các đại lượng vào
a) Sai số của chính bản thân mạch đo gây ra bởi những sự biến động về quan
hệ tương hỗ (hàm truyền đạt):
Hàm truyền đạt của mạch đo là:
Y
W=
X
Giả sử khi đại lượng vào X không mắc sai số nhưng đầu ra Y mắc phải sai số
∆Y, nguyên nhân là do sai số của hàm truyền đạt ∆W gây ra do ảnh hưởng của sự
biến động các yếu tố ngoại lai hay nội tại đến mạch đo ∆θi.
Sai số này được đánh giá bằng:
∆W / W γ w
K= =
∆θ / θ γθ
với: γw : sai số tương đối của hàm truyền đạt.
γθ : độ biến động tương đối của các yếu tố ngoại lai hay nội tại tác động đến
mạch đo.
Tương ứng có sai số ở đầu ra là:
∆Y = γw.W.X
b) Sai số do sự kết hợp các đại lượng vào: nếu một mạch đo có nhiều đại lượng
vào thì có sự kết hợp với nhau vì vậy mà sai số sẽ bằng tổng các sai số:
∆(x1 ± x2) = ∆x1 ± ∆x2
Sai số tương đối của tích hai đại lượng bằng tổng sai số tương đối của chúng:
∆x1 ∆x 2
γxx = = γ x1 + γ x2
+
x1 x2
12
6.2.3. Đặc tính động:
Khi đo các đại lượng biến thiên theo thời gian yêu cầu mạch đo phải đáp ứng
được các đặc tính động yêu cầu.
Đặc tính động của mạch đo phải đảm bảo để cho sai số của mạch đo không vượt
quá sai số cho phép của cả thiết bị đo. Do đó khi xét đặc tính động học ta phải xét
đến hàm truyền đạt của mạch đo phụ thuộc vào tần số W(p) như khi xét một mạng
bốn cửa.
6.2.4. Công suất tiêu thụ: .
Ngoài nhiệm vụ thực hiện các phép gia công, mạch đo còn có nhiệm vụ nối các
khâu với nhau, hay nói cách khác là có nhiệm vụ phối hợp trở kháng đầu vào và đầu
ra của các khâu.
Thường thì cố gắng làm cho trở kháng đầu vào của mạch đo rất lớn so với trở
kháng đầu ra của khâu trước đó, tức là công suất tiêu thụ của mạch đo nhỏ hơn so
với công suất ra của khâu trước.
Sai số do công suất tiêu thụ của mạch đo gây nên khi mắc vào với khâu trước là:
2
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
P
γP =
Pmax
với: P: công suất tiêu thụ ở đầu vào của mạch đo.
Pmax: công suất đầu ra cực đại của khâu trước.
Khi tính toán, sai số này được cộng thêm sai số của khâu trước nó.
Ngược lại ở đầu ra của mạch đo phải làm thế nào cho công suất ra lớn nhất, tức
là: Pra = Pt, với Pt là công suất của tải. Sai số được tính theo công thức:
Pra − Pt
γ ra =
Pra
(nếu tải biến thiên thì Pt được thay bằng công suất tải định mức PtN)
6.3. Mạch tỉ lệ.
Mạch tỷ lệ là mạch thông dụng nhất trong các mạch đo lường. Có thể chia thành
mạch tỉ lệ về dòng và mạch tỉ lệ về áp.
6.3.1. Mạch tỉ lệ về dòng:
Là loại mạch thông dụng nhất. Đối với mạch một chiều thường dùng mạch sun, đối
với mạch xoay chiều thường dùng biến dòng điện (BI).
a) Sun: là một điện trở mắc song song với cơ cấu chỉ thị (như hình 6.1):
Hình 6.1. Cách mắc điện trở sun
Các dòng điện chạy trong mạch gồm:
- Dòng chạy trong mạch chính là I
- Dòng chạy trong mạch chỉ thị là ICT
- Dòng chạy qua sun là Is
Các dòng điện này có các mối quan hệ:
I
I = I CT + I S và =n
I CT
n gọi là hệ số chia dòng diện, thường n>1.
Điện trở sun RS được tính bằng:
rCT
RS = (6.1)
n −1
Cấu tạo của sun: có cấu tạo như điện trở 4 đầu, bao gồm 2 đầu dòng và 2 đầu áp
như hình 6.2:
- 2 đầu dòng: để đưa dòng IS vào.
- 2 đầu áp: lấy điện áp ra để đưa vào cơ cấu chỉ thị.
Trên sun thường có ghi dòng IS có thể đi qua và điện áp ở đầu ra:
3
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
US = IS.RS = (I - ICT).RS
Để đạt độ chính xác cao một sun thường chỉ làm việc với một chỉ thị nhất định
và phải có dây nối đã xác định trước điện trở.
Để điều chỉnh điện trở sun có thể xẻ rãnh khác nhau.
Hình 6.2. Cấu tạo sun
Dùng sun có hệ số chia dòng khác nhau: muốn dùng sun với hệ số chia dòng
khác nhau có thể dùng sun với nhiều cấp khác nhau như hình 6.3.
Hình thức này thường được ứng dụng để mở rộng thang đo trong ampemét một
chiều.
Hình 6.3. Mắc sun nhiều cấp
Để tính các điện trở R1, R2, R3, R4 có thể dựa vào biểu thức (6.1), bằng cách lập
hệ phương trình ứng với các dòng khác nhau:
rCT I4
RS 4 = = R1 + R2 + R3 + R4 ; n4 =
n4 − 1 I CT
rCT + R4 I3
RS 3 = = R1 + R2 + R3 ; n3 =
n3 − 1 I CT
rCT + R4 + R3 I2
RS 2 = = R1 + R2 ; n2 =
n2 − 1 I CT
rCT + R4 + R3 + R2 I1
RS 1 = = R1 ; n1 =
n1 − 1 I CT
Ta có 4 phương trình với 4 ẩn số, giải ra tìm được R1, R2, R3, R4.
Trong công nghiệp sun được làm bằng vật liệu có điện trở không phụ thuộc nhiệt
độ như manganin. Thường sun được chế tạo với dòng từ vài mA đến 104A; điện áp
sun cỡ 60, 75, 100, 150 và 300mV.
4
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
Ứng dụng của sun: sun được dùng chủ yếu trong mạch một chiều, mở rộng
thang đo cho các ampemét một chiều. Trong mạch xoay chiều chỉ dùng sun khi tải
là thuần trở còn khi tải là điện kháng thì mắc phải sai số về góc pha.
b) Biến dòng điện (BI): được sử dụng trong mạch xoay chiều để biến đổi dòng
điện trong phạm vi rộng. Biến dòng điện là một biến áp mà thứ cấp ngắn mạch, sơ
cấp nối tiếp với mạch có dòng điện chạy qua.
Nếu biến dòng làm việc lí tưởng (không có tổn hao) thì:
I 1 W2
KI = =
I 2 W1
với: KI là hệ số biến dòng, có thể lớn hơn 1 (nhân dòng) hoặc bé hơn 1 (chia
dòng);
I1, I2 là dòng điện sơ cấp và thứ cấp;
W1, W2: số vòng dây quấn của cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Cấu tạo: giống biến áp: thường làm bằng lõi thép silic, chỉ khác là tiết diện dây
quấn lớn hơn và số vòng bé hơn biến áp động lực.
Yêu cấu: phải có tổn hao lõi thép nhỏ, điện trở tải càng nhỏ càng tốt.
Đặc tính cơ bản cảu biến dòng BI:
- Chế độ làm việc bình thường là ngắn mạch thứ cấp. Khi thứ cấp bị hở mạch sẽ
làm điện áp thứ cấp tăng vọt từ hàng chục vôn đến vài kilôvôn rất nguy hiểm cho
người sử dụng, làm cháy biến dòng, đánh thủng cách điện. Vì vậy cuộn thứ cấp phải
nối đất để đề phòng đánh thủng cách điện, không tiếp xúc với mạch cao áp (như
hình 6.4):
Hình 6.4. Sơ đồ nối biến dòng với ampemét
Trong hướng dẫn sử dụng của biến dòng thường ghi rõ giá trị điện trở tới hạn để
ngắn mạch thứ cấp
- Trong thực tế khi dòng sơ cấp I1 thay đổi thì hệ số biến dòng KI cũng thay đổi,
vì vậy thường lấy hệ số KIN - là hệ số biến dòng định mức làm hệ số biến dòng điện,
khi đó mắc phải sai số về môđun là:
K IN − K I
γI = .100%
K IN
- Có tổn hao trong lõi thép và ngoài tải thuần trở còn có tải điện cảm, vì vậy còn
sai số về góc pha. Lõi thép càng tổn hao nhiều thì sai số góc pha càng lớn (biến
thiên từ ± 2 phút đến ±120 phút).
Biến dòng đo lường thường được chế tạo với điện áp định mức từ 0,5÷35 kV.
5
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
Dòng sơ cấp định mức từ 0,1÷25000A. Dòng thứ cấp định mức là 1A hoặc 5A.
Cấp chính xác của biến dòng thường là: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.
6.3.1. Mạch tỉ lệ về áp:
Thông dụng nhất là mạch phân áp và mạch biến áp.
a) Mạch phân áp: là mạch phân điện áp, thường có U2 nhỏ hơn U1 tức là công
suất ra nhỏ hơn công suất vào.
Có một số mạch như sau:
- Mạch phân áp điện trở: các điện trở được nối như hình 6.5:
Hình 6.5. Mạch phân áp điện trở
Hệ số phân áp được tính là:
U1
m=
U2
Có hai trường hợp xảy ra:
Khi không có tải (hay RL→ ∞) có:
U1 I ( R1 + R2 ) R
mo = = = 1+ 1
I .R2
U2 R2
Khi có tải RL ta có:
U 1 I .R1 + I .( R2 // R L )
mL = =
U2 I .( R2 // R L )
R1 R1 R
= 1+ + = m0 + 1
R2 R L RL
Khi tải là những cơ cấu chỉ thị có điện trở không đổi: thường R2 là điện trở của
bản thân chỉ thị, phân áp chỉ có R1 (gọi là điện trở phụ)-hình 6.6 .
Điện trở phụ được tính như sau:
RP = rCT .(m − 1)
với m = U X / U CT là tỉ số giữa điện áp cần đo và điện áp trên cơ cấu chỉ thị.
Nếu một vônmét có nhiều thang đo thì cách tính các điện trở phụ như sau:
U1
RP1 = R1 = rCT .(m1 − 1) ; m1 =
U CT
U2
RP 2 = R1 + R2 = rCT .(m2 − 1) ; m2 =
U CT
U3
R P 3 = R1 + R2 + R3 = rCT .(m3 − 1) ; m3 =
U CT
6
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
Với 3 phương trình 3 ẩn số, giải ra tìm được các giá trị R1, R2, R3.
Hình 6.6. Mở rộng thang đo của vônmét.
Phân áp có hệ số phân áp thay đổi tùy ý: thường là một biến trở trượt có gắn
thêm một thang chia độ trên có khắc hệ số phân áp tương ứng với vị trí của nó,
mạch này có độ chính xác không cao (thường từ 1÷5%).
Các phân áp có cấp chính xác cao (0,05÷0,1): được chế tạo theo kiểu nhảy cấp
hoặc bố trí thành từng cấp thập phân (hình 6.7), thường làm bằng dây điện trở
maganin có hệ số nhiệt điện trở thấp. Điện áp vào U1 cố định, điện áp ra biến thiên
từ 0,0001U1 đến 0,9999U1.
Hình 6.7. Bộ phân áp có độ chính xác cao.
Ứng dụng của mạch phân áp điện trở: thường được sử dụng để chế tạo các hộp
điện trở mẫu, các điện thế kế, các cầu đo…
- Mạch phân áp điện dung: có thể dùng trong mạch xoay chiều, gồm các tụ
điện C1, C2 ghép nối tiếp và được biễu diễn trong sơ đồ bằng điện dung C1, C2 cùng
với các điện trở rò R1, R2 (hình 6.8):
Hình 6.8. Mạch phân áp điện dung
Hệ số phân áp là:
U 1 Z1 + Z 2
m= =
U2 Z2
7
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
1
C 2 (1 + )
jω C 2 R 2
= f (ω )
= 1+ (6.2)
1
C1 (1 + )
jωC1 R1
Như vậy hệ số phân áp m của mạch phân áp điện dung phụ thuộc vào tần số ω.
Nếu ω lớn thì:
C
1 1
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
nhau cả bằng điện và từ (biến áp tự ngẫu) hoặc chỉ liên hệ với nhau về từ.
Hệ số biến áp:
U1 W1
Ku = =
U2 W2
Trong hướng dẫn sử dụng của biến điện áp đo lường thường chỉ rõ: công suất
định mức, điện áp vào U1, điện áp ra U2, hệ số biến điện áp Ku.
Ngược với biến dòng điện đo lường, biến điện áp đo lường sử dụng ở chế độ hở
mạch cuộ thứ cấp, vì thế cuộn thứ cấp thường được nối với vônmét có điện trở vào
lớn để đo điện áp U2 sau đó nhân với hệ số Ku có được U1
Hình 6.10. Mắc vônmét vào biến áp đo lường
Đặc điểm: Điện áp định mức của cuộn thứ cấp thường là 100V, điện áp định
mức của cuộn sơ cấp chính là điện áp cần đo hay kiểm tra.
Sai số của biến điện áp: giống ở biến dòng, gồm sai số về môđun và sai số góc
pha lúc điện áp đo và tải thay đổi.
Cấp chính xác của biến áp đo lường là: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.
Ứng dụng: biến áp đo lường thường được sử dụng trong mạch xoay chiều khi
phải đo điện áp rất lớn mà không thể đo trực tiếp bằng vônmét được.
6.4. Mạch khuếch đại (Amplifier).
a) Đặc điểm của mạch khuếch đại: về phương diện gia công tin tức, mạch
khuếch đại cũng được xem như một mạch tỉ lệ, nghĩa là:
X r = K.X v
Tuy nhiên ở mạch khuếch đại có đặc điểm ngược với mạch tỉ lệ là có công suất
đầu ra lớn hơn công suất đầu vào, có thể coi đại lượng vào điều khiển đại lượng ra,
đây là đặc điểm ưu việt của mạch điện tử. Nhờ có mạch khuếch đại, độ nhạy của
thiết bị đo được tăng lên rất nhiều, cho phép đo những đại lượng đo rất nhỏ.
Mạch khuếch đại đo lường còn có khả năng mở rộng đặc tính tần số của thiết bị
đo và đặc biệt là giảm rất nhiều công sất tiêu thụ của thiết bị đo lấy từ đối tượng đo.
Mạch khuếch đại được thực hiện bằng đèn điện tử, đèn bán dẫn và ngày nay chủ
yếu sử dụng vi điện tử.
6.4.1. Mạch khuếch đại lặp lại:
a) Tác dụng:
- Trong các thiết bị đo, tín hiệu đo được lấy ra từ các bộ cảm biến (sensor) có
công suất đầu ra rất nhỏ, muốn khuếch đại được những tín hiệu như vậy đòi hỏi điện
trở vào của bộ khuếch đại phải rất lớn. Để tạo được điều kiện đó thường sử dụng
9
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
các mạch lặp lại ở đầu vào.
- Phối hợp tải giữa các tầng với nhau (impedance matching).
b) Mạch lặp sử dụng BJT: có điện trở vào lớn, điện trở ra nhỏ. Nhờ có phản hồi
âm sâu nên hệ số khuếch đại về áp Ku≈ 1, hệ số khuếch đại về dòng khá lớn:
∆I e
= 1+ β
KI =
∆I b
với β là hệ số khuếch đại dòng của BJT.
c) Mạch lặp sử dụng JFET: có trở vào lớn hơn so với mạch lặp dùng BJT.
a) b)
Hình 6.11a,b: Mạch lặp lại:
a) Dùng BJT; b) Dùng FET;
d) Mạch lặp sử dụng KĐTT có phản hồi âm sâu: có trở vào lớn.
e) Mạch lặp có trở vào rất lớn: sử dụng kết hợp giữa JFET và KĐTT mắc theo
mạch cầu có phản hồi âm sâu.
c) d)
Hình 6.11c,d: Mạch lặp lại:
c) Dùng KĐTT; d) Dùng FET kết hợp KĐTT
6.4.2. Mạch khuếch đại đo lường (Instrumentation Amplifier):
Trong các mạch đo lường thường sử dụng bộ KĐ đo lường, là mạch kết hợp các bộ
lặp lại và các bộ khuếch đại điện áp.
Mạch khuếch đại đo lường gồm có hai tầng:
- Tầng 1: là hai bộ lặp lại dùng KĐTT có trở vào lớn do tín hiệu vào được đưa
đến đầu vào không đảo. Hệ số khuếch đại tầng 1 là:
R1 + R3
K1 = 1 + : có thể thay đổi bằng cách thay đổi R2
R2
- Tầng 2: mạch khuếch đại áp sử dụng KĐTT, có hệ số khuếch đại là:
10
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
R5
K2 =
R4
Như vậy hệ số khuếch đại của cả mạch là:
R + R3
R5
K = K 1 .K 2 = .(1 + 1 )
R4 R2
Hình 6.12. Mạch khuếch đại đo lường.
6.4.3. Mạch khuếch đại điều chế (Chopping Amplifier):
Để tránh hiện tượng trôi điểm không và sự lệch điện áp ra do sự tăng giảm của
nguồn cung cấp ở KĐ một chiều, người ta dùng biện pháp biến tín hiệu một chiều
đầu vào thành xoay chiều, sau đó cho qua bộ KĐ xoay chiều và cuối cùng biến đổi
lại thành điện áp một chiều ở đầu ra, mạch như vậy gọi là mạch khuếch đại điều
chế.
Hình 6.13. Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của bộ khuếch đại điều chế
Bộ điều chế có tác dụng biến đổi tín hiệu một chiều thành xoay chiều. Ngược lại
bộ giải điều chế có tác dụng biến đổi tín hiệu xoay chiều thành một chiều
Một ví dụ về bộ KĐ này là sử dụng một máy phát tần số để đóng mở hai khóa
11
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
điện tử ở đầu vào và đầu ra của bộ KĐ xoay chiều. Máy phát tần số thường là một
bộ dao động đa hài.
6.4.4. Mạch khuếch đại cách ly:
Trong kỹ thuật đo cần phải đo những điện áp lớn có khi đến vài kilôvôn, tức là
cao hơn nhiều so với điện áp cho phép. Để giải quyết vấn đề này cần phải tách mạch
đo thành hai phần cách ly nhau về điện:
- Phần phát: làm việc dưới điện áp cần đo.
- Phần thu: làm việc dưới điện áp đủ thấp cho phép.
Để thực hiện một thiết bị như vậy yêu cầu đảm bảo phần cho phần có nguồn dòng
riêng dược cách ly so với đất.
Việc truyền kết quả đo sang phần thu cách ly về điện cũng gặp phải những khó
khăn nhất định. Có hai khả năng truyền:
- Ghép biến áp: không thể truyền trực tiếp điện áp một chiều. Điện áp một chiều
phải được điều chế thành điện áp xoay chiều với tần số mang đủ cao (trong dải tần
đến 100kHz - điều chế tần số hoặc biên độ).
- Ghép quang học: có thể truyền trực tiếp điện áp một chiều.
Khi đòi hỏi độ chính xác cao: có thể chuyển đổi tín hiệu analog trên phần phát
thành tín hiệu số, sau đó truyền tín hiệu số sang phần thu bằng phương pháp quang
học. Phương pháp này không bị ảnh hưởng do độ phi tuyến của việc ghép quang
học.
Hình 6.14 minh họa việc truyền tín hiệu analog bằng phương pháp quang học.
Để bù méo tuyến tính do các ôptrôn gây ra, dòng của phôtô điốt được điều chỉnh
bằng bộ KĐTT IC1 sao cho dòng quang của ôptron chuẩn T1 bằng một trị số cho
trước.
Hình 6.14.Truyền tín hiệu đo analog bằng phương pháp quang học.
Các bộ khuếch đại cách ly ghép biến áp hay ghép quang học thường được chế
tạo dưới dạng môđun. Ở phần phát bố trí bộ khuếch đại đo hoặc bộ khuếch đại đảo
pha. Đa số các môđun chứa bộ biến đổi điện áp một chiều trong phần phát đều là
loại nguồn dòng cách ly với đất, do đó từ phía ngoài chỉ cần đấu thêm một nguồn
dòng nối đất. Hiệu điện thế cho phép giữa phần phát và phần thu có thể vào khoảng
vài kilôvôn.
Ví dụ: các loại KĐ cách ly 3650, 3456 (hãng Burr-Brown); 275 (hãng Analog
Devices)…
12
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
6.5. Mạch xử lý và tính toán.
6.5.1. Mạch cộng:
Là loại mạch thực hiện phép cộng (cộng các tín hiệu với nhau), thường là cộng điện
áp.
a) Mạch cộng dùng KĐTT mắc theo sơ đồ đảo dấu:
Hình 6.15. Mạch cộng dùng KĐTT mắc theo sơ đồ đảo dấu.
Tín hiệu ra Ura tỉ lệ với tổng đại số của các tín hiệu vào:
Rf Rf Rf R2
n
Un = ∑−
U ra = − U1 − U 2 − ... − .U i
R1 R2 Rn Ri
i =1
Nếu Rf = R1 = R2 =…= Ri = Rn thì:
n
U ra = −∑ U i
i =1
Ưu điểm của mạch cộng đảo dấu là không bị ảnh hưởng bởi nhiễu của tín hiệu
cần đo vì các tín hiệu này được cộng với nhau tại một điểm có thể bằng “0”, các tín
hiệu vào độc lập với nhau do được nối với điểm đất ảo (đầu vào đảo). Các hệ số
khuếch đại đối với từng tín hiệu vào có thể thay đổi được (bằng cách thay đổi trở
vào tương ứng) mà không ảnh hưởng đến các tín hiệu vào khác.
b) Mạch cộng dùng KĐTT mắc theo sơ đồ không đảo dấu:
Hình 6.16. Mạch cộng dùng KĐTT mắc theo sơ đồ không đảo dấu
Tín hiệu ra Ura tỉ lệ với tổng đại số của các tín hiệu vào:
R R n
1 1
U ra = .(1 + f ).(U1 + U 2 + ... + U n ) = .(1 + f ).∑ U i
n Rn n Rn i =1
13
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
Rf n
) thì: U ra = ∑ U i
Nếu n = (1 +
Rn i =1
Nhược điểm của mạch cộng không đảo dấu là các tín hiệu vào không độc lập với
nhau, việc thay đổi điên trở vào của bất kỳ tín hiệu vào nào đều ảnh hưởng đến hệ
số khuếch đại của tất cả các tín hiệu còn lại.
6.5.2. Mạch trừ:
Hình 6.17. Mạch trừ sử dụng KĐTT
= U ra (U 1 ) + U ra (U 2 )
Điện áp ra Ura: U ra
Rp Rf
.(1 + )
R p .( R1 + R f )
Rf Rf R2 R1
=− U1 + U2 = − U1 + U2
R1 .( R2 + R p ) Rp
R1 R1
1+
R2
1+αN
Rp Rf
= α p; = α N , có: U ra = −α N U 1 + .α pU 2
Đặt:
1+α p
R2 R1
Trường hợp đặc biệt khi αp= αN =1, có: U ra = U 2 − U 1
6.5.3. Mạch nhân:
Có nhiều trường hợp phải sử dụng mạch nhân như khi đo công suất P=U.I.cosφ
hoặc khi cần nhân hai điện áp…vì thế mạch nhân rất quan trọng trong đo lường.
Các phần tử nhân thường dùng trong đo lường là:
- Phần tử điện động, phần tử sắt điện động: được dùng để chế tạo các wátmét đo
công suất.
- Chuyển đổi Hôn (Hall): sử dụng để đo công suất.
- Các bộ nhân điện tử: phép nhân tín hiệu tương tự có thể thực hiện bằng nhiều
cách, ở đây chỉ xét hai cách phổ biến nhất là nhân bằng các phần tử lôgarit và nhân
bằng phương pháp điều khiển độ dẫn của tranzito.
a) Bộ nhân sử dụng nguyên lí lấy lôgarit và đối lôgarit:
- Các mạch (IC1, T1) và (IC2, T2) làm nhiệm vụ tạo hàm lôgarit:
Uy
Ux
U ra 2 = −U T . ln(
U ra1 = −U T . ln( ); )
I ES .R2
I ES .R1
U T là thế nhiệt của tranzito: U T = K .T ; K = 1,38.10 − 23 J / K ; q = 1,6.10 −19 C
với:
q
IES là dòng điện ngược bão hòa của tiếp giáp EC, hệ số phụ thuộc nhiệt độ.
14
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
- IC3 là mạch cộng:
Uy
Ux
U ra 3 = −α .(U ra1 + U ra 2 ) = α .U T ln( ) + ln( )
I ES .R1 I ES .R2
Ux Uy
chọn α = .U T ⇒ U ra 3 = ln ( )( )
I ES .R1 I ES .R2
- Mạch (IC4, T4) là mạch đối lôgarit (mạch hàm mũ):
Ux U y
U ra = exp(U ra 3 ) = expln ( )( )
I ES .R1 I ES .R2
= C.U x .U y
với C = f ( R1 , R2 )
Hình 6.18. Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý mạch nhân
dùng mạch khuếch đại lôgarit và đối lôgarit sử dụng KĐTT.
Ưu điểm của mạch nhân sử dụng mạch logarit là có thể sử dụng với tín hiệu vào
có khoảng động lớn.
Ngày nay các mạch nhân được tích hợp trong một IC, các mạch nhân sử dụng
nguyên lý này là: 755N (hãng Analog Devices), 433 (hãng Analog Devices), 4301
(hãng Burr Brown)…
b) Bộ nhân bằng phương pháp điều khiển độ dẫn của tranzito: sử dụng
phương pháp thay đổi hệ số khuếch đại của KĐ vi sai dùng hai tranzito.
6.5.4. Mạch chia:
Mạch chia được sử dụng rộng rãi trong các phép đo gián tiếp. Kết quả phép đo
có thể là một đại lượng hoặc là một giá trị không có thứ nguyên ( thường đặc trưng
cho phẩm chất).
Thông dụng nhất là cá phương pháp: lôgômét, mạch cầu, mạch chia điện tử…
a) Mạch chia bằng cơ cấu chỉ thị lôgômét: có góc quay của kim chỉ thị tỉ lệ với
tỉ số của hai dòng điện.
15
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
b) Mạch chia dựa trên mạch cầu cân bằng: như hình 6.19: là mạch lấy tỉ số
giữa hai điện trở của hai nhánh của cầu:
Hình 6.19. Mạch chia sử dụng mạch cầu cân bằng
Khi cầu cân bằng có phương trình:
R x .R4 = R y .R3
với R3 thường là một biến trở có giá trị phụ thuộc vào góc quay α:
α = f(R3)
Rx Rx
⇒ α = f ( R3 ) = f (
R3 = R4 . )
Ry Ry
c) Bộ chia điện tử: giống bộ nhân điện tử, sử dụng hai bộ khuếch đại lôgarit
(IC1, T1) và (IC2, T2), sau đó tín hiệu được đưa vào mạch trừ bằng IC3. Sau bộ trừ
có:
Ix
U t = K 1 . lg( )
Iy
Tín hiệu này sau khi qua bộ đối lôgarit ( IC4, T3) có:
Ix
U ra = K 2 ( )
Iy
Trong kỹ thuật số việc nhân chia được thực hiện trong các mạch vi xử lý (µP) và
các vi mạch tính toán nhỏ.
Hình 6.20. Mạch chia điện tử
6.5.5. Mạch tích phân (Integrator):
Trong kỹ thuật đo lường thường sử dụng các khâu tích phân. Ví dụ việc biến đổi
16
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
các tín hiệu rời rạc (discrete) thành tín hiệu liên tục (analog) để đưa tín hiệu vào
dụng cụ đo tương tự hay trong mạch đo tần số…
Có nhiều loại mạch tích phân như: mạch RC, mạch LR…nhưng phổ biến nhất là
mạch tích phân RC kết hợp với KĐTT.
Hình 6.21. Mạch tích phân RC và đặc tính tần số.
a) Mạch tích phân RC kết hợp với KĐTT: nhờ có mạch KĐTT có thể tạo ra
phản hồi âm sâu làm tăng độ chính xác của mạch tích phân.
Hình 6.22. Mạch tích phân RC kết hợp với KĐTT
Quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra của mạch tích phân:
Viết phương trình dòng điện nút cho cực vào đảo của KĐTT :
u1 du
u N = u P = 0 ⇒ i1 + ic = 0 ⇔ +C r = 0
R dt
T
1 1
∫ u1 (t ).dt = − RC .∫ u1dt + u r (t = 0)
⇔ ur = −
RC 0
với u r (t = 0) là điều kiện đầu của điện áp ra.
Trong mạch này tốc độ thay đổi điện áp ra tỉ lệ nghịch với hằng số thời gian τ= R1C.
- Khi tín hiệu vào thay đổi theo dạng bậc thang: tốc độ thay đổi của tín hiệu ra
là:
∆U ra U
=− v
∆t R1C
như thế đầu ra sẽ có tín hiệu tuyến tính tăng dần theo thời gian.
- Khi tín hiệu vào là hình sin: mạch tích phân là một bộ lọc thông thấp (low-
pass filter) có hệ số khuếch đại tỉ lệ nghịch với tần số.
- Bộ tích phân lý tưởng: thỏa mãn điều kiện khi tín hiệu vào bằng 0 thì tín hiệu
ra phải giữ nguyên không đổi. Muốn đưa về giá trị ban đầu phải ngắn mạch tụ C.
Đặc tính này được sử dụng làm bộ nhớ động.
6.5.6. Mạch vi phân (Differentiator):
Mạch vi phân đơn giản có thể thực hiện bằng điện cảm hay điện dung.
a) Mạch vi phân RL: như hình 6.23a:
17
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
Phương trình điện áp ra là:
di L
uL = L
dt
b) Mạch vi phân RC: như hình 6.23b:
Phương trình điện áp ra là:
du c
ic = C
dt
a) b) c)
Hình 6.23. Mạch vi phân
c) Mạch vi phân kết hợp mạch RC với KĐTT: trong thực tế để nâng cao độ
chính xác thường phải kết hợp mạch RC với KĐTT như hình 6.23c: đây là mạch
khuếch đại có phản hồi âm sâu bằng điện trở, hệ số phản hồi có thể xem bằng 1.
Điện áp ra của mạch là:
du v
u r = − R1C
dt
Khi tín hiệu vào là hình sin thì bộ vi phân có tác dụng như bộ lọc cao tần, có hệ
số khuếch đại tỉ lệ thuận với tần số của tín hiệu vào.
Mạch vi phân này có những nhược điểm sau:
- Vì hệ số khuếch đại tăng khi tần số tín hiệu vào tăng nên mạch nhạy với tín
hiệu ồn cao tần, ồn đầu ra có thể lấn át tín hiệu.
- Trở kháng vào của mạch Z v = 1 / jωC giảm khi tần số tăng, do đó khi nguồn
tín hiệu có trở kháng trong lớn thì chỉ một phần tín hiệu được vi phân, phần còn lại
được khuếch đại. Ngoài ra ở tần số cao hệ số hồi tiếp của mạch giảm.
- Mạch kém ổn định.
d) Mạch vi phân thực: do các nhược điểm của các mạch vi phân trên nên trong
thực tế thường dùng mạch vi phân thực như hình 6.24:
Hình 6.24. Mạch vi phân thực và đặc tính biên độ-tần số
Mạch chỉ hoạt động ở chế độ vi phân khi tín hiệu vào có tần số thỏa mãn:
18
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
1
f 0 → u ra = E K
−
∆u = u P − u N < 0 → u ra = E K
điện áp ra Ura của mạch so sánh sẽ chuyển trạng thái tại thời điểm cân bằng.
a) b) c)
Hình 6.25: a) Bộ so sánh một đầu vào;
b) Quá trình xảy ra ở bộ so sánh; c) Mạch thực tế
Với sơ đồ mạch này có uP =0. Quá trình chuyển trạng thái được biễu diển trên hình
6.25b:
- Khi 0 < t < τ : u c < E sp → u N > 0 → ∆u = u P − u N = −u N < 0 → u ra = E K
−
R1
- Khi t = τ : u c = − E sp → u N = 0 → ∆u = u P − u N = −u N = 0 → u ra chuyển trạng
R2
thái sang u ra = E K sau thời gian ∆τ .
+
Mạch so sánh một đầu vào có điện trở vào không lớn, tuy nhiên nó cho phép so
19
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 6: MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO
sánh các điện áp cso biên độ lớn mà không mắc phải sai số đồng pha.
Ở cực không đảo (cực P) của KĐTT có mắc thêm điện trở có giá trị bằng R1//R2
để khử điện áp trôi (điện áp lệch không - offset voltage).
6.6.2. Bộ so sánh các tín hiệu cùng dấu bằng KĐTT mắc theo mạch hai đầu vào:
Mạch này được sử dụng để so sánh hai tín hiệu cùng dấu. Độ lớn của điện áp vào
phải được giới hạn trong phạm vi cho phép của điện áp đồng pha Eđp của KĐTT đã
chọn.
Xét mạch so sánh sử dụng KĐTT µA709 như hình 6.25a: KĐTT hoạt động ở
chế độ khuếch đại vòng hở theo nguyên tắc:
∆u = u P − u N = 0 → u ra = 0
+
∆u = u P − u N > 0 → u ra = E K
−
∆u = u P − u N < 0 → u ra = E K
với ∆u = E sp − u c (t ) .
Tín hiệu chênh lệch nhỏ nhất mà mạch phát hiện được với KĐTT có hệ số
khuếch đại vòng hở K 0 = 4.10 4 và U n = 2V là:
Un
∆u = E sp − u c (t ) = = 0,05mV
K0
min
Đối với các mạch so sánh sử dụng các KĐTT tiêu chuẩn thì thời gian để điện áp
ra tăng lên đến 4V khi hiệu ∆u = E sp − u c (t ) bằng 10mV mất khoảng 0,5µs, thời
gian trễ của tín hiệu ra cỡ 3-5µs.
Biên độ điện áp ra được giới hạn bởi mạch hạn chế gồm điốt VD1 (hạn chế trên)
và VD2 (hạn chế dưới), điện áp ra có thể đưa thẳng vào đầu của các IC số.
a) b)
Hình 6.25. Bộ so sánh hai đầu vào và quá trình xảy ra ở bộ so sánh
6.6.3. Mạch so sánh hai mức:
Trong các hệ thống kiểm tra hay điều chỉnh tự động có lúc cần phải điều chỉnh
một thông số nào đo luôn luôn phải nằm giữa hai mức cho trước, khi đó phải sử
dụng mạch so sánh hai mức Ux1, Ux2 được tạo bởi tổng hợp của 2 nguồn Esp1, Esp2.
20
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện
