Bài giảng Cơ sở kĩ thuật đo lường điện tử - Chương 4: Đo tần số, khoảng thời gian và đo độ di pha

Chương 4: Đo tần số, khoảng thời gian và đo độ di pha Nội dung chính:
Khái niệm chung
Đo tần số bằng các phần tử có tham số phụ thuộc vào tần số
Đo tần số bằng các thiết bị so sánh
Đo tần số bằng phương pháp đếm xung
Đo chu kì
Tổ hợp tần số
Đo độ di pha 09/10/2008 Slice 1Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 4.1. Khái niệm chung
Tần số là một trong những tham số rất quan trọng của nguồn tín hiệu bất kỳ. Nhưng các tín hiệu trong lĩnh vực điện tử viễn thông có dải tần biến thiên từ nHz ÷n1015 Hz
Để đo tần thì có thể dùng các tham số:
Tần số:
Tần số góc : (Hz)f (rad)ω
Chu kỳ:
Pha:
Bước sóng 09/10/2008 Slice 2Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội (s)T (s)ϕ (m)λ 4.2.Đo tần số bằng các phần tử có tham số phụ thuộc vào tần số
Phương pháp đo: So sánh tần số cần đo với tần số chuẩn đã biết để từ đó xác định tần số cần đo. Về cấu tạo có thể dùng:
Dùng các phần tử mạch có tham số phụ thuộc vào tần số
Dùng các thiết bị so sánh
Dùng phương pháp đếm 09/10/2008 Slice 3Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 4.2.Đo tần số bằng các phần tử có tham số phụ thuộc vào tần số
Nguyên tắc chung: Dùng các mạch cộng hưởng để cộng hưởng giữa tần số cần đo với tần số của mạch. A. Cộng hưởng cầu: 09/10/2008 Slice 4Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 4231 RRZR =ɺ Điều kiện để cầu cân bằng là: 4.2.Đo tần số bằng các phần tử có tham số phụ thuộc vào tần số
Biến đổi phương trình ta có:
Phần thực:
Phần ảo: 1 3 2 4R R R R= 1 2 x x f L C ω π= = 1 2 2 x x f L C π π =→
Với và giá trị đó được quy đổi sẵn và khắc trên thang đo tương ứng với C.
ứng dụng đo tần:
ưu và nhược điểm:
Khắc phục: 09/10/2008 Slice 5Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội max min max minxC C C f f f= − → = − 4.2.Đo tần số bằng các phần tử có tham số phụ thuộc vào tần số
Để cầu cân bằng 1 3 2 4 3 3 4 3 4 3 4 1 1 1 2 x x x x R R R R j C R j C f R R C C ω ω ω π   = + +   = =
Nếu chọn các điện trở và tụ điện 09/10/2008 Slice 6Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3 4 3 4 R R R C C C = = = = 1 2 xf RCπ = 4.2.Đo tần số bằng các phần tử có tham số phụ thuộc vào tần số B. Mạch cộng hưởng LC
Tuỳ theo dải tần số mà mạch cộng hưởng có các cấu tạo khác nhau. Hình 4-4. Sơ đồ khối ghép nối mạch cộng hưởng Trong các thiết bị đo tần số bằng phương pháp cộng hưởng, thì thực tế để dùng được trong các tần đoạn khác nhau, mạch cộng hưởng có ba loại: 1. Mạch cộng hưởng có điện dung và điện cảm đều là các linh kiện có thông số tập trung. 2. Mạch cộng hưởng có pha trộn giữa linh kiện có thông số tập trung là điện dung, và linh kiện có thông số phân bố là điện cảm. 3. Mạch cộng hưởng có điện dung và điện cảm đều là các linh kiện có thông số phân bố. 09/10/2008 Slice 7Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 4.2.Đo tần số bằng các phần tử có tham số phụ thuộc vào tần số
Hình 4-5 là sơ đồ của loại mạch thứ nhất. Trong đó, điện dung và điện Hình 4-5 Hình 4-6 cảm là các linh kiện có thông số tập trung L và C. Tần số mét loại này có lượng trình từ 10kHz đến 500MHz. Sai số đạt trong khoảng 0,25%÷3%.
Hình 4-6 là mạch điện của tần số-mét mà mạch cộng hưởng là có pha trộn các linh kiện có thông số tập trung và linh kiện có thông số phân bố. Mạch cộng hưởng ở đây gồm có tụ xoay kiểu hình bướm. Bộ phận tĩnh điện của tụ được nối với nhau bằng vòng kim loại V, vòng này đóng vai trò điện cảm phân bố của mạch. 09/10/2008 Slice 8Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 4.2.Đo tần số bằng các phần tử có tham số phụ thuộc vào tần số Hình 4-7
Hình 4-7 là sơ đồ cấu tạo một loại tần số-mét dùng ở siêu cao tần. 09/10/2008 Slice 9Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 4.3. Đo tần số bằng các thiết bị so sánh A. Sử dụng Oscillo - Phương pháp sử dụng dao động đồ của oscillo (Litxagiu)
Sử dụng hình litxagiu tạo ra trên màn hình Oscillo để xác định tần số theo tín hiệu có tần số chuẩn.  Đưa tín hiệu cần đo tần số fx vào cặp phiến làm lệch X.  Đưa tín hiệu có tần số chuẩn fch vào cặp phiến làm lệch Y.
Để xác định tần số cần đo ta dùng 2 cát tuyến cắt dao động đồ “Litxagiu” theo 2 phương đứng và ngang, thoả mãn số điểm cắt hình “Litxagiu” là tối đa.
Số giao điểm theo phương X và Y lần lượt là n và m.
Liên hệ giữa tần số fx và fch 09/10/2008 Slice 10Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội x chnf mf= x ch m f f n = n m 4.3. Đo tần số bằng các thiết bị so sánh
Ví dụ minh hoạ 1 09/10/2008 Slice 11Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội x chf f= 2x chf f= 2 x chf f= 3x chf f= Hình 4-13. Phương pháp quét tròn 4.3. Đo tần số bằng các thiết bị so sánh A. Sử dụng Oscillo – Phương pháp quét tròn
Tín hiệu có tần số chuẩn fch được đưa vào 2 cặp phiến làm lệch X, Y (Hình 4-13). Đầu vào X và Y lệch pha 90o.  Trên màn hình sẽ xuất hiện dao động đồ dạng tròn hoặc ellipse.
Tín hiệu có tần số fx cần đo được đưa vào lưới G (hoặc điện cực tăng tốc A2 )
Chùm tia điện tử được đóng/mở tạo nên đường đứt nét trên Oscillo  Số lượng đoạn tối (hoặc số lượng đoạn sáng) – Hình 4-14 (a) (b) do tín hiệu đưa vào lưới G  Số lượng các múi lồi/lõm – Hình 4-14 (c) do tín hiệu đưa vào điện cực tăng tốc A2 09/10/2008 Slice 12Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội x ch f n f = 4.3. Đo tần số bằng các thiết bị so sánh B. Đo tần số bằng phương pháp ngoại sai
Sử dụng phương pháp trộn tần và bộ lọc thông thấp để tạo ra tần số phách
Bộ chỉ thị là tai nghe, đèn chỉ thị hoặc bộ chỉnh lưu bằng chất rắn.
Điều chỉnh bộ tạo sóng ngoại sai thoả mãn x nsF f f= − 0x nsF f f= − = 09/10/2008 Slice 13Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Mạch vào Trộn Tần Lọc thông thấp (LPF) Chỉ thị Tạo sóng Ngoại sai xf nsf x nsf f± x nsf f− 0x nsf f− = 4.4. Đo tần số bằng phương pháp đếm xung Sơ đồ khối của việc đo tần số bằng phương pháp đếm xung  Bộ tạo dạng xung: biến đổi tín hiệu điều hoà tần số fx thành các tín hiệu dạng xung có cùng chu kì với tín hiệu.  Bộ tạo xung chuẩn: tạo xung có độ ổn định cao, thường là dao động thạch anh. Ngoài ra còn có các bộ nhân chia tần để tạo ra nhiều tần số khác nhau.  Bộ chọn xung và bộ đếm: thực hiện việc đếm xung trong 1 chu kì của 09/10/2008 Slice 14Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Hình 4-22 xung chuẩn. ch x x ch T nT f nf = = 4.4. Đo tần số bằng phương pháp đếm xung Đồ thị thời gian: u(t) t Uvp(t) yy. t ch x x ch T nT f nf = = 09/10/2008 Slice 15Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Uch(t) Uđo(t) tđo=Tch Uđếm(t) yy. n xung t t t 4.4. Đo tần số bằng phương pháp đếm xung
Sai số của phương pháp đo theo hình 4-22 phụ thuộc:  Độ chính xác của xung chuẩn Tch  Vấn đề đồng bộ giữa xung mở và xung đếm.  Do đó sai số của phương pháp này là sai số ±1  Để tăng độ chính xác của phương pháp này (hình 4-22), cần tăng độ rộng xung chuẩn Tch 09/10/2008 Slice 16Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội x ch ch n f nf T = = 4.4. Đo tần số bằng phương pháp đếm xung
Ngoài ra, một phương pháp đo tần số bằng phương pháp đếm xung khác được minh hoạ trong hình 4-26
Tần số đo được chx f f n = Bộ tạo xung chuẩn Bộ tạo dạng xung Bộ chọn xung Bộ đếm I II 09/10/2008 Slice 17Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Mạch vào xf Bộ điều khiển Bộ tạo dạng xung Hình 4-26 xT chT 4.5. Đo chu kì (đo khoảng thời gian)
Do quan hệ giữa chu kỳ và tần số là: cho nên mọi phép đo chu kỳ đều có thể thực hiện tương tự như đo tần số. Ví dụ 1: đo chu kỳ bằng cầu cộng hưởng: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động vẫn không thay đổi nhưng kết quả: - Phần thực: 1 T f = 1 3 2 4R R R R= 1 2π - Phần ảo:
Với và giá trị đó được quy đổi sẵn và khắc trên thang đo tương ứng với C. 09/10/2008 Slice 18Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 2x x xx T L C TL C ω π= = ⇒ = min max min maxx x xC C C T T T= ÷ ⇒ = ÷ 4.5. Đo chu kì (đo khoảng thời gian) Ví dụ 2: đo chu kỳ bằng phương pháp đếm xung Sử dụng phương pháp 2 (hình 4-26) để thực hiện đếm xung. Bộ tạo xung chuẩn Bộ tạo dạng xung Bộ chọn xung Bộ đếm I II ch x x ch f f T nT n = ⇒ = 09/10/2008 Slice 19Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Mạch vào xf Bộ điều khiển Bộ tạo dạng xung Hình 4-26 xT chT 4.6. Tổ hợp tần số
Tổ hợp tần số là quá trình tạo ra dãy các tần số rời rạc từ một nguồn phát tần số chuẩn có độ ổn định cao.
Nguồn phát tần số chuẩn (dao động chuẩn) thường là các bộ tạo dao động thạch anh.
Nguyên lý thực hiện tổ hợp tần số:  Tổ hợp tần số thụ động: chỉ dùng phương pháp lọc để tạo ra các thành phần tần số rời rạc.  Tổ hợp tần số tích cực: sử dụng các bộ lọc tích cực để lọc các thành phần tần số. Mạch lọc tích cực bao gồm các vòng khóa pha (PLL) kết hợp với các bộ chia tần số.  Tổ hợp tần số có sử dụng bộ vi xử lí. 09/10/2008 Slice 20Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 4.6. Tổ hợp tần số Sơ đồ nguyên lý tổ hợp tần số tích cực.
Dao động tạo ra với tần số:
Bộ chia tần số được thực hiện bằng phương pháp đếm xung (xung đếm từ dao động chuẩn ).
Mạch hoạt động theo nguyên lí vòng khóa pha để ổn định tần số và pha của dao động ra.
Dải tần số đầu ra
Nhược điểm: bước tần của dải tần đầu ra lớn. 0.raf  f= 0f 1 0 2 0. .raf  f  f= ÷ Hình 4-69 09/10/2008 Slice 21Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 4.6. Tổ hợp tần số Sơ đồ nguyên lý tổ hợp tần sử dụng bộ VXL
Dao động tạo ra với tần số:
Hệ số chia tần Y của dao động chuẩn và hệ số chia X của bộ dao động biến đổi được lựa chọn băng bộ VXL 0ra X f f Y = 09/10/2008 Slice 22Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Hình 4-70 4.6. Tổ hợp tần số - VD bộ trộn tần sử dụng VXL Ví dụ: Từ dao động chuẩn tạo ra tổ hợp tần số với bước tần là và độ chính xác
Để tạo ra tần số  Hệ số X, Y quá lớn.  Mạch so pha làm việc ở tần số là quá thấp để đảm bảo sự ổn định. 0 5f MHz= 10 15f MHz MHz= ÷ 10bf Hz∆ = 83.10 f f −∆ ≤ 12,631770 1263177 500000f MHz X Y= => = = 0 / 10f Y Hz=
Sử dụng VXL để lựa chọn tổ hợp (X, Y) có giá trị nhỏ thỏa mãn điều kiện về độ chính xác.  Với tổ hợp tần số ra  Bước tần 09/10/2008 Slice 23Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 6950 2751X Y= = 12,6317702653raf MHz= 80,2653 2,1 10bb ra f f f f Hz f −∆∆ = − = = × 4.7. Đo độ di pha
Độ di pha của 2 tín hiệu điều hòa có cùng tần số là hằng số:
Độ di pha của 2 tín hiệu điều hòa có tần số khác nhau là đại lượng biến thiên theo thời gian ( ) ( ) 1 1 1 2 2 2 sin sin m m u U t u U t ω ϕ ω ϕ = +  = + 1 2ϕ ϕ ϕ∆ = − ( ) ( ) 1 1 1 1sin sin u U t u U t ω ϕ ω ϕ = +  = + ( ) ( )1 2 1 2tϕ ω ω ϕ ϕ∆ = − + −
Độ di pha của 2 tín hiệu tuần hoàn có cùng tần số là độ di pha của hài bậc 1. Ngoài ra, còn có thể biểu diễn thông qua độ dịch thời gian 09/10/2008 Slice 24Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 2 2 2 2 T∆ T∆ 4.7. Đo độ di pha Đo độ di pha bằng phương pháp đo điện áp
Phương pháp đo điện áp được áp dụng với các tín hiệu ở tần số thấp.
Điện áp tổng của 2 tín hiệu điều hòa phụ thuộc vào độ di pha
Trường hợp 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 1 2 1 2 2 cos arccos 2 u u u u u u u u u u ϕ ϕ Σ Σ = + + − − = 1 2u u u= = 09/10/2008 Slice 25Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Hình 4-74 Hình 4-75 2arccos u u ϕ Σ= 4.7. Đo độ di pha Đo độ di pha bằng phương pháp dùng mạch tách sóng
Hai đầu vào (3-4) và (5-6) được đưa vào là hai điện áp cần đo độ di pha.
Trên đèn hai cực Đ1 có điện áp tổng:
Trên đèn hai cực Đ2 có điện áp hiệu:
Nếu hai đèn Đ1 và Đ2 đồng nhất và là loại có đặc tuyến tách sóng đường thẳng, thì thành phần điện áp một chiều được chỉnh lưu ra trên tải giữa hai điểm (1-0) là tỉ lệ với trị số điện áp tổng: Hình 4-76
Thành phần điện áp một chiều được chỉnh lưu giữa 2 điểm (0-2) tỉ lệ với trị số điện áp hiệu 09/10/2008 Slice 26Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội cos 2 2 U U φΣ = sin 2 2 U U φ∆ =