Cơ Sở đo lường điện tử

Ebooks Team
PGS. Vũ Quý Điềm (Chủ biên)
Phạm Văn Tuân
Đỗ Lê Phú







Cơ sở kỹ thuật
Đo lờng điện tử

Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật

Mục lục
Lời nói đầu 1
Chơng 1 Giới thiệu chung về kỹ thuật Đo lờng điện tử
1.1 Đối tợng của Đo lờng điện tử 6
1.1.1 Các đặc tính và thông số của tín hiệu 6
1.1.2 Các tham số và đặc tính của mạch điện tử 17
1.2 Các khái niệm cơ bản về Đo lờng điện tử 21
1.2.1 Khái niệm đo lờng 21
1.2.2 Các phơng pháp và biện pháp đo lờng cơ bản 22
Chơng 2 Định giá sai số Đo lờng
2.1 Nguyên nhân và phân loại sai số trong Đo lờng 28
2.1.1 Nguyên nhân gây sai số 28
2.1.2 Phân loại sai số 29
2.1.3 Các biểu thức diễn đạt sai số 30
2.2 ứng dụng phơng pháp phân bố chuẩn để định giá sai số 31
2.2.1 Hàm mật độ phân bố sai số 32
2.2.2 Hệ quả của sự nghiên cứu hàm mật độ phân bố sai số 33
2.2.3 Sử dụng các đặc số phân bố để định giá kết qu đo và sai số đo 36
2.3 Cách xác định kết quả đo 39
2.3.1 Sai số d 39
2.3.2 Độ tin cậy và khoảng chính xác 42
2.3.3 Cách xác định kết quả đo khi thực hiện đo nhiều lần 45

2.3.4 Tính sai số trong trờng hợp đo gián tiếp 48
2.3.6 Tính sai số khi đo tại vị trí chỉ thị cực trị 51
2.3.7 Lu đồ thực hiện quá trình xử lý, định giá sai số và
xác định kết quả đo. 54
Chơng 3 Quan sát và Đo lờng dạng tín hiệu
3.1 Khái niệm chung 55
3.2 Cấu tạo ôxilô 57
3.2.1 Cấu tạo ống tia điện tử 57

3.2.2 Bộ tạo điện áp quét 63
3.2.3 Bộ khuếch đại của dao động ký 69
3.3 Công dụng của dao động ký (ôxilô) 73
3.3.1 Đo biên độ của điện áp tín hiệu 73
3.3.2 Đặc tuyến vôn-ampe và đặc tuyến tần số 75
3.4 Cấu tạo của dao động ký (ôxilô) nhiều kênh 80
3.4.1 Cấu tạo của dao động ký (ôxilô) hai tia 81
3.4.2 Phơng pháp biến đổi luân phiên-chuyển mạch điện tử 82
3.5 Cấu tạo dao động ký (ôxilô) quan sát tín hiệu siêu cao tần 89
3.5.1 Đặc điểm 89
3.5.2 Phơng pháp quan sát lấy mẫu 91
3.6 Cấu tạo của dao động ký (ôxilô) có nhớ loại tơng tự 94
3.6.1 Cấu tạo 94
3.6.2 Nguyên lý hoạt động của ôxilô có nhớ 95
3.7 ôxilô điện tử số 96
3.7.1 Cấu trúc và khả năng của ôxilô số 96
3.7.2 Ôxilô có cài đặt vi xử lý (micropocessor-àP) 98
Chơng 4 Đo tần số, khoảng thời gian và đo độ di pha
4.1 Khái niệm chung 111
4.2 Đo tần số bằng các mạch điện có thông số phụ thuộc tần số 113
4.2.1 Phơng pháp cầu 113

4.2.2 Phơng pháp cộng hởng 115
4.3 Đo tần số bằng phơng pháp dùng thiết bị so sánh 123
4.3.1 Phơng pháp dùng dao động đồ của ôxilô 123
4.3.2 So sánh bằng phơng pháp ngoai sai 125
4.3.3 Đo tần số bằng phơng pháp đếm xung
4.4 Đo khoảng thời gian 134
4.4.1 Máy đếm điện tử 134
4.4.2 Bộ đếm trong thiết bị đo số 139
4.4.3 Bộ gii mã trong thiết bị đo số 149
4.4.4 Bộ chỉ thị số 159
4.4.5 Máy đếm điện tử có cài đặt vi xử lý (àP) 175
4.5 Tổ hợp tần số (Frequency synthesizer) 179

4.5.1. Tổ hợp mạng tần số tích cực dùng kỹ thuật mạch số 180
4.5.2 Tổ hợp tần số có cấu tạo vi xử lý (àP) 181
4.6 Đo độ di pha 186
4.6.1 Các phơng pháp đo di pha 188
4.6.2 Pha mét chỉ thị số 195
4.6.3 Pha-mét số có cài đặt micropocesor 198
Chơng 5 Đo điện áp
5.1 Đặc điểm và yêu cầu của phép đo tín hiệu điện áp 201
5.1.1 Các trị số điện áp đo 201
5.1.2 Cấu tạo và phân loại các vôn-mét điện tử 204
5.2 Vôn-mét điện tử loại tơng tự-dùng điện kế chỉ thị kim 205
5.2.1 Các đặc tính tách sóng 206
5.2.2 Khối khuếch đại trong vôn-mét điện tử 215
5.2.3 Khối chỉ thị bằng kim 217
5.2.4 Vôn-mét đo điện áp xung 217
5.3 Cấu tạo vôn-mét điện tử số 222
5.3.1 Bộ biến đổi tơng tự - số (the analog to digital converter) 222

5.3.2 Ví dụ về bộ giải mã để thực hiện ký tự số ả-rập 234
5.3.3 Vôn-mét điện tử số có cài đặt àP 236
Chơng 6 Đo công suất
6.1 Các khái niệm và phơng pháp đo công suất 243
6.1.1 Khái niệm 243
6.1.2 Phơng pháp đo công suất 245
6.1.3 Đo công suất ở tần số thấp và tần số cao 247
6.1.4 Đo công suất ở siêu cao tần dùng nhiệt điện trở 252
6.2 Đo công suất hấp thụ 258
6.2.1 Phơng pháp vôn-mét (và ampe-mét) 258
6.2.2 Phơng pháp đo cờng độ ánh sáng 259
6.2.3 Phơng pháp nhiệt lợng mét 260
6.3 Đo công suất truyền thông 263
6.4 Oát-mét dùng kỹ thuật số 268
6.4.1. Oát-mét số (Digital Wattmeter) 268
6.4.2. Oát-mét cài đặt vi xử lý 271

Chơng 7 Đo các tham số điều chế và đặc tính phổ của tín hiệu
7.1 Đo hệ số điều chế 274
7.1.1 Đo hệ số điều chế biên độ 277
7.1.2 Đo các thông số điều tần 282
7.1.3 Đo các thông số điều chế xung 286
7.2 Đo méo không đờng thẳng 289
7.3 Phân tích phổ tín hiệu 292
7.3.1 Phơng pháp phân tích 293
7.3.2 Cấu trúc thiết bị phân tích phổ theo phơng pháp số 300
7.3.3 Máy phân tích phổ dùng bộ vi xử lý với thuật toán
biến đổi nhanh Fourrier 309
Chơng 8 Đo các thông số và đặc tính các phần tử của mạch điện
8.1 Đo các thông số của mạch điện có các phần tử tập trung 317

8.1.1 Đo các thông số của các linh kiện đờng thẳng 317
8.1.2 Đo thử các thông số của đèn bán dẫn 333
8.2 Đo các thông số của mạch điện có phần tử phân bố 337
8.2.1 Khái niệm 337
8.2.2 Các linh kiện đo lờng ở siêu cao tần 340
8.2.3 Công dụng đo lờng của dây đo 353
8.2.4 Đo trở kháng bằng các dây đo có đầu dò cố định 379
8.2.5 Đo trở kháng bằng phản xạ mét và bằng các cầu đo 382
Chơng 9 Đo lờng, kiểm nghiệm các mạch điện tử số và vi xử lý
9.1 Khái niệm và đặc tính chung của mạch số 388
9.2 Các phơng pháp phân tích 390
9.2.1 Phơng pháp phân tích logic 390
9.2.2 Phơng pháp phân tích nhận dạng mã địa chỉ (Signature Analysis) 398
9.3 Các nguyên lý tự kiểm tra (Principles of self - testing) 409
9.3.1 Phơng pháp LSSD (Level - Sensitive Scan Design) 409
9.3.2 Phơng pháp BILBO (Built-In Logic Block Observer) 410
9.3.3 Phơng pháp MICROBIT 411
Chơng 10 Đo lờng tự động
10.1 Các khuynh hớng cơ bản 414

10.1.1 Tù ®éng ho¸ tõng phÇn qu¸ tr×nh ®o l−êng 420
10.1.2 Tù ®éng ho¸ hoµn toµn qu¸ tr×nh ®o l−êng 435
10.2 HÖ thèng giao diÖn sè trong ®o l−êng
(Interface for measurement system) 448
10.2.1 Giíi thiÖu chung 448
10.2.2. ThiÕt kÕ m¹ch kiÓu m¶ng khèi modun 449
10.2.3 Giao diÖn IEC (The International Electrotechnical Commission) 452
Tµi liÖu tham kh¶o 462

Lời nói đầu
Giáo trình "Cơ sở kỹ thuật đo lờng điện tử" đợc biên soạn nhằm phục vụ cho
việc học tập của sinh viên đại học thuộc các ngành kỹ thuật điện tử- viễn thông. Cuốn
sách cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các ngành kỹ thuật khác có sử dụng
kỹ thuật đo lờng điện tử nh là một phơng pháp để nghiên cứu khoa học, sử dụng khai
thác kỹ thuật của ngành mình.
So với cuốn Cơ sở kỹ thuật Đo lờng Vô tuyến điện đã đợc xuất bản trớc đây,
mà các chơng mục của tập sách đó đã đợc sắp xếp theo đề cơng của chơng trình
môn học Đo lờng Vô tuyến điện, đã đợc sử dụng làm giáo trình ở trờng Đại học
Bách khoa Hà nội trong hai thập niên trớc, thì kỹ thuật đo lờng điện tử cũng đã có sự
phát triển vợt bậc, nhiều thiết bị đo đã biến đổi hoàn toàn. Ngày nay, Điện tử đã trở
thành một lĩnh vực đa dạng và có sự phát triển vợt bậc, đến nỗi ta đã có thể coi Vô
tuyến điện tử (Radio-Electronics) chỉ còn là một hớng phát triển của Điện tử. Do vậy
tên gọi của môn học cũng nh tên giáo trình cũng phải có sự thay đổi theo hớng phát
triển thích hợp.
Nói về sự phát triển của kỹ thuật Đo lờng điện tử, trớc hết phải nói về những
thay đổi cơ bản của các thiết bị đo có sử dụng các bộ vi xử lý (microprocessors). Vi xử
lý đã trở thành bộ phận chủ yếu cấu thành của các thiết bị đo. Việc áp dụng bộ vi xử lý
vào kỹ thuật đo lờng đã làm tăng tính năng, thông số của các thiết bị đo lên rất nhiều;
đã mở ra cách giải quyết các vấn đề mà trớc kia cha đợc đặt ra. Có bộ Vi xử lý làm
cho thiết bị đo đa chức năng, đơn giản hoá việc điều khiển, tự động điều chỉnh, tự động
lấy chuẩn, tự động kiểm tra, làm tăng thêm độ tin cậy của các thông số phép đo, thực
hiện tính toán, xử lý thống kê kết quả; tức đã tạo đợc thiết bị đo lờng lập trình tự
động. Một phần của cuốn sách này đợc dùng để trình bày những nguyên tắc và các khả
năng của các thiết bị đo có bộ vi xử lý.
Tuy vậy, trong thực tế nhiều khi chỉ cần các thiết bị đo đơn giản hơn, nên rất nhiều
các thiết bị đo dùng kỹ thuật tơng tự và kỹ thuật số có sơ đồ lô-gích đang đợc sử dụng

và vẫn đang đợc sản xuất tiếp tục. Trong cuốn sách còn đề cập đến các nguyên tắc
truyền thống của kỹ thuật Đo lờng điện tử.
Kỹ thuật Đo lờng điện tử là một ngành kỹ thuật có phạm vi rất rộng, cả về đối
tợng đo, môi trờng và điều kiện đo, cũng nh dải tần đo, lợng trình đo và cấu tạo
mạch đo. Tham vọng của tác giả là làm thế nào để có thể gói gọn đợc cả phạm vi rộng
lớn nói trên vào những vấn để rất cơ bản và cách trình bày phải thể hiện đợc các
nguyên tắc truyền thống cũng nh cập nhật đợc các nguyên tắc hoàn toàn mới trong
cuốn sách của mình. Mặc dù đã cố gắng để cuốn sách đạt đợc ý tởng nói trên, song

1
chắc không tránh khỏi còn sai sót, tác giả mong đợc sự góp ý, chỉ dẫn của bạn đọc. Các
ý kiến xin gửi về Khoa Điện tử- Viễn thông, trờng Đại học Bách khoa Hà nội, điện
thoại 8692242.


Ngày 4 tháng 6 năm 2001
PGS. Vũ Quý Điềm
2


Chơng I
Giới thiệu chung về kỹ thuật
đo lờng điện tử
Mở đầu
Trong quá trình phát triển của khoa học kỹ thuật mà toàn bộ thế giới đang chứng
kiến, điện tử là một trong những ngành phát triển mũi nhọn. ứng dụng của điện tử, tin
học, viễn thông đang ngày một lớn và ảnh hởng sâu sắc đến cuộc sống và cách thức
làm việc của toàn xã hội. Để phát triển đợc các lĩnh vực trong một tổng thể chung là
ngành điện tử, thì vấn đề đo lờng là một vấn đề cần đợc quan tâm và phát triển. Nội
dung của giáo trình Đo lờng điện tử đợc giới thiệu trong tập sách này có thể nói một

cách tóm tắt là: nghiên cứu các phơng pháp đo lờng điện tử cơ bản, các biện pháp kỹ
thuật để thực hiện các phơng pháp đo và các thao tác kỹ thuật đo lờng để đạt đợc
những yêu cầu cần thiết của phép đo.
Cụ thể, nội dung này bao gồm các vấn đề về các phơng pháp đo lờng các thông
số của tín hiệu và mạch điện, các biện pháp cấu tạo các mạch đo cũng nh cấu trúc tính
năng của máy đo, cách nâng cao độ chính xác của phép đo cũng nh cách xác định, hạn
chế sai số của kết quả đo.
Đo lờng các thông số đặc tính của tín hiệu nh là đo các thông số cờng độ của
tín hiệu (Ví dụ nh các thông số dòng điện, điện áp, công suất ), nh quan sát dạng của
tín hiệu, đo tần số, đo di pha, phân tích phổ của tín hiệu. Đo các thông số của mạch điện
nh các thông số các linh kiện đờng thẳng, linh kiện không đờng thẳng (các linh kiện
cơ sở nh điện trở, tụ điện, đèn điện tử, đèn bán dẫn đến các linh kiện nh IC, các loại
mạch tích hợp ), trong các mạch điện có phần tử tập trung, các thông số của các linh
kiện đờng thẳng trong mạch siêu cao tần.
Đặc điểm cơ bản của kỹ thuật đo lờng điện tử là các phép đo đợc thực hiện
trong một dải phổ rất rộng, từ 0Hz (tín hiệu không biến đổi) đến 3.10
15
Hz (sóng quang).
Do vậy các phơng pháp đo, cấu trúc của máy đo và cả độ chính xác của phép đo cũng
đều tuỳ thuộc vào dải tần của đối tợng đo lờng. Ví dụ ở tần số thấp thì dễ dàng đo
đợc dòng điện và điện áp, nhng ở siêu cao tần thì các thông số cần xác định là dòng

3
điện, điện áp trở nên vô nghĩa khi cần định lợng thông số trên mạch, mà phải xác định
chúng thông qua công suất. Hay ví dụ, cũng là đại lợng cần đo là trở kháng của mạch,
mà ở tần số thấp thì có thể dùng các thiết bị đo là các loại cầu bốn nhánh, ở tần số cao
hơn thì thiết bị đo là cầu cộng hởng điện áp hay dòng điện, và ở tần số siêu cao tần thì
thiết bị đo phải dùng là dây đo hoặc đo bằng ống dẫn sóng hay dây đồng trục.
Độ chính xác của phép đo thờng phụ thuộc nhiều vào sự khử bỏ các ảnh hởng
ghép ký sinh của các thông số của bản thân máy đo tới mạch cần đo, ví dụ nh điện

dung, điện cảm, điện trở của máy đo. ảnh hởng này tăng khi tần số càng tăng cao. Do
vậy khi đo cùng một đại lợng mà ở tần số khác nhau thì không những cần có các
phơng pháp khác nhau mà máy đo đợc dùng để đo cũng phải có cấu tạo khác nhau.
Khi đã chọn đúng phơng pháp đo và máy đo thích hợp rồi thì cũng cần phải chú ý tới
thao tác cần thiết, cách mắc đo thế nào để nâng cao hơn độ chính xác của phép đo. Ví dụ
nh cần giảm tới mức tối thiểu điện áp tạp tán, điện dung ký sinh của dây nối, của máy
đo. Các ảnh hởng trên thờng trở nên rất đáng kể trong lĩnh vực đo lờng điện tử, vì
phép đo thờng đợc thực hiện ở tần số cao, công suất bé và hay đợc tiến hành ở trạng
thái cộng hởng.
Lợng trình của đại lợng cần đo trong kỹ thuật điện tử cũng khá rộng và đa dạng.
Ví dụ nh với việc đo tần số thì phải thực hiện phép đo có lợng trình từ 0Hz đến
10
15
Hz. Đo công suất thì từ các thiết bị có công suất lớn tới 10
8
W, dới các phơng thức
điều chế tín hiệu khác nhau nh: điều biên, điều tần, điều pha và cả điều xung, với độ
rộng xung tới 10
-9
s.
Sự cần thiết của đo lờng trong kỹ thuật điện tử là rất lớn, hầu nh chúng ta phải
sử dụng ở mọi lúc, mọi chỗ. Khi nghiên cứu thiết kế, điều chỉnh khai thác, lắp đặt vận
hành các hệ thống điện tử, viễn thông, không thể không có máy đo. Cho một hệ thống
làm việc, hay điều chỉnh một thiết bị điện tử, là một quá trình đo lờng các chế độ công
tác, lấy đặc tính của từng khối, từng khâu riêng biệt hay toàn bộ. Do vậy, chỉ với các
máy đo có độ chính xác cần thiết thì mới có thể điều chỉnh đợc thiết bị đạt đợc các
yêu cầu mong muốn. Khi lắp ráp, chế tạo các thiết bị điện tử, các thiết bị viễn thông,
cũng rất cần đo lờng. Vì tính toán thiết kế chỉ cho đợc các số liệu sơ bộ, muốn có
đợc chế độ công tác thực tế và thông số thích hợp nhất thì chỉ trên cơ sở thực nghiệm
mới có. Với công tác nghiên cứu thì việc xây dựng phơng pháp đo và kiện toàn thiết bị

đo lại càng quan trọng hơn. Không phải chỉ có số lợng các kết quả, mà sự phân tích
chất lợng cũng có ích lợi cho các công việc liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu. Khi khai
thác các hệ thống điện tử, cần phải luôn luôn kiểm tra phát hiện các h hỏng, thực hiện
các quá trình công tác, giữ đợc các chỉ tiêu kỹ thuật cao trong quá trình làm việc, xác
định nhanh chóng các nguyên nhân làm mất các tiêu chuẩn công tác. Tất cả những điều
đó đều không thực hiện đợc nếu không có sự tổ hợp phép đo và máy đo.
4
Cùng với quá trình phát triển của khoa học công nghệ, kỹ thuật điện tử và kỹ thuật
viễn thông là những quá trình tiến triển gắn chặt với khả năng thực hiện và hoàn thiện kỹ
thuật đo lờng. Ví dụ, những thành tựu của lĩnh vực nghiên cứu không gian vũ trụ nh
vệ tinh của trái đất là những hệ thống rất phức tạp của các máy móc đo lờng điện tử.
Quá trình điều khiển và tự động bao hàm một số lớn các phép đo các loại khác nhau với
độ chính xác cao. Trên cơ sở phát hiện những đoạn tần số sóng mới, những phơng pháp
đo mới cũng xuất hiện theo, tạo ra thêm các yêu cầu mới và đặc biệt về chế tạo cho các
máy đo. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ ngời ta đã tự động hoá
đợc các quá trình sản xuất, những thành tựu mới này đã đợc thích ứng với các phơng
pháp đo và thiết bị đo mới của kỹ thuật đo lờng tự động.
Kết quả của việc đo lờng đợc chính xác hay không là còn tuỳ thuộc nhiều vào
chủ quan của ngời đo. Muốn kết quả đo chính xác, phải chọn đợc phép đo đúng với
nhiệm vụ đặt ra, thích hợp với đối tợng cần đo. Cần phải nắm đợc các phơng pháp đo
khác nhau, biết đợc tính năng các máy đo, xử lý thích đáng đợc các nguồn gốc sai số
đo. Không cẩn thận trong quá trình đo, không biết đầy đủ đặc điểm của đối tợng đo,
đặc tính của tín hiệu cần đo, khả năng của máy đo thì không thể có kết quả đo chính
xác. Sự thông thạo của ngời làm kỹ thuật khi đo lờng có thể nâng cao đợc độ chính
xác của phép đo, và có thể thực hiện các phép đo một cách linh hoạt. Sự thông thạo
không những thể hiện ở chỗ hiểu rõ các phép đo và sử dụng thành thạo các máy đo, mà
còn thể hiện ở chỗ biết vận dụng để hiểu đợc các nguyên lý đo lờng ở các hệ thống
điện tử hiện đại. Ví dụ nh hệ thống Radar là hệ thống có yêu cầu đo khoảng thời gian,
cơ sở của một số hệ thống điều khiển là phép đo di pha rời rạc hoá và chỉ thị bằng số.
Để nghiên cứu giáo trình Cơ sở kỹ thuật đo lờng điện tử này, yêu cầu ngời

đọc đã đợc nghiên cứu các giáo trình kỹ thuật cơ sở của ngành kỹ thuật điện tử. Các
giáo trình kỹ thuật cơ sở có quan hệ trực tiếp cần phải kể đến nh giáo trình điện tử và
bán dẫn, lý thuyết cơ sở về tín hiệu và mạch điện vô tuyến điện, cơ sở thiết bị khuếch
đại, kỹ thuật xung và số, lý thuyết xác suất và thống kê. Sở dĩ nh vậy, vì tất cả các kiến
thức chung của các giáo trình trên là lý thuyết cơ sở cần thiết để xây dựng các phơng
pháp đo lờng về các thông số của tín hiệu cũng nh của mạch điện tử. Từ đó, nó cũng
là các kỹ thuật cơ sở để xây dựng các biện pháp thực hiện các phơng pháp đo này, tức
là cấu trúc cụ thể của các mạch đo và của các máy đo.
Cơ sở phát triển kỹ thuật điện tử là từ kỹ thuật điện, nên đo lờng trong điện tử
cũng xuất phát từ các cơ sở của kỹ thuật đo lờng điện. Tuy có quan hệ gắn bó nh vậy,
nhng hai môn học này có quan điểm cơ bản khác nhau. Nhiệm vụ của kỹ thuật điện là
tạo ra, truyền dẫn và biến đổi năng lợng điện từ. Còn nhiệm vụ của kỹ thuật điện tử là
truyền lan và gia công tin tức nhờ dao động điện từ. Do vậy, hai ngành điện và điện tử
phải đợc nghiên cứu theo hai quan điểm khác nhau, quan điểm năng lợng và quan
điểm thông tin.

5
Nh vậy, khi đo lờng điện tử, ngời ta thờng ít quan tâm tới khía cạnh năng
lợng của quá trình. Điều chú trọng nhiều hơn là các thông số và đặc tính đặc trng cho
mạch và tín hiệu về mặt thông tin, ví dụ nh tần số, pha, trở kháng đặc tính, hệ số truyền
đạt và các thông số dạng của tín hiệu
Các phần sau đây, chúng ta sẽ xem xét tới các đối tợng và phơng pháp đo lờng
điện tử một cách chi tiết.
1.1 Đối tợng của đo lờng điện tử
1.1.1 Các đặc tính và thông số của tín hiệu
Tín hiệu dùng trong điện tử đợc mô tả bằng các biểu thức toán học sau đây:
s(t)=s(t, a
1
, a
2

, ,a
n
)
hoặc s(f)=s(f, b
1
, b
2
, ,b
n
)
Từ các biểu thức trên đây, ta thấy rằng, tín hiệu s(t) không những phụ thuộc vào
thời gian và s(f) không chỉ phụ thuộc tần số mà chúng còn phụ thuộc vào nhiều đại
lợng khác là a
1
, a
2
, , a
n
và b
1
, b
2
, ,b
n
. Các đại lợng đó đợc gọi chung là các thông số
của tín hiệu.
Tín hiệu s có rất nhiều dạng khác nhau, tuỳ mục đích sử dụng tức là tuỳ thuộc vào
loại tin tức mà tín hiệu này phản ảnh.
Để nghiên cứu những biện pháp truyền dẫn và biến đổi tín hiệu, chúng ta cần phải
tiến hành đo lờng các thông số của nó. Ngời ta không xét tới thông số của tất cả các

loại tín hiệu, bởi vì rõ ràng trên thực tế là không thể làm nh vậy đợc, và thực ra là
không cần thiết. Số lợng tín hiệu đợc dùng để quy định làm đối tợng đo lờng là rất
ít so với số lợng tín hiệu trên thực tế và đợc gọi là những tín hiệu mẫu. Số tín hiệu
mẫu này là tối thiểu nhng về mặt đo lờng, chúng đã thoả mãn đợc yêu cầu là biểu
diễn đợc mô hình đơn giản của các tín hiệu trên thực tế.
Khi đo lờng các thông số và đặc tính của các mạch điện, ngời ta cũng dùng các
tín hiệu mẫu này. Biết đợc phản ứng của mạch với các dạng của tín hiệu ấy, thì có thể
suy ra phản ứng của mạch với các dạng tín hiệu khác.
Các tín hiệu trong điện tử thờng đợc biểu diễn theo hàm của thời gian hoặc theo
hàm theo tần số.
Dạng của các tín hiệu cơ bản đợc khảo sát thông số, bao gồm:
-Tín hiệu điều hoà
6
-Tín hiệu tuần hoàn
-Tín hiệu xung
-Tín hiệu số.
1. Cách biểu diễn tín hiệu theo hàm số của thời gian và theo hàm số của tần số
a. Hàm số theo thời gian
Hàm số theo thời gian là hàm số dạng:
s=f(t)
Ngoài tham số là thời gian ra, nh đã trình bày ở phần trên, còn có các tham số
khác trong biểu thức của f(t), nên biểu thức của s có thể đợc biểu diễn thành dạng nh
sau:
S=f(t, a
1
, a
2
, , a
n
)

Các thông số a
1
, a
2
, , a
n
của tín hiệu sẽ xác định dạng của tín hiệu, do đó với mỗi
tín hiệu khác nhau, ta sẽ có những tham số khác nhau và các hàm số khác nhau. Với
những loại tín hiệu khác nhau đó, để đo các thông số tín hiệu của chúng, ngời ta phải
có những phơng pháp phù hợp nhằm đa ra kết quả gần với thực tế nhất.
Ví dụ khi sử dụng Ô-xi-lô để hiển thị một tín hiệu theo thời gian, ta có thể thấy
đợc các tham số về dạng
của tín hiệu nh cờng độ,
chu kỳ, độ di pha.
Các thiết bị trong đo
lờng cũng đợc thiết kế cho
việc đo đạc một vài thông số
nào đó nên tuỳ theo thông số
nào cần đo, ta phải chọn các
loại máy đo thích hợp, ví dụ
nh để đo các thông số về
cờng độ ta có thể dùng vôn-mét để đo điện áp, ampe-mét để đo dòng điện, oát-mét để
đo công suất. Ngoài ra với mỗi giải lợng trình khác nhau, ngời ta cũng phải sử dụng
những phơng pháp và thiết bị đo phù hợp, ví dụ nh với các giải tần số khác nhau,
ngời ta phải có những phơng pháp và thiết bị đo khác nhau.
t
S
0
0
0

S
M
00
0
2
f
1
T


==
Hình 1-1
b. Hàm số theo tần số
Hàm theo tần số là hàm có dạng
s=(f)

7
Hàm số theo tần số thờng đợc dùng để biểu diễn cho các tín hiệu tuần hoàn
hoặc cho một tín hiệu trong một khoảng thời gian hữu hạn.
Khi biểu diễn một hàm số theo tần số, u điểm của nó là ngời ta có thể thấy đợc
dải tần của tín hiệu, từ đó ngời ta sẽ có những phơng pháp phù hợp cho việc gia công
tín hiệu.
f-F f f+F
f
U
0
U
0

t
Hình 1
-
2
Ví dụ khi cần lấy mẫu của một tín hiệu, ngời ta phải biết đợc dải tần của nó và
sẽ lấy mẫu trong các khoảng thời gian phù hợp với tần số của tín hiệu theo định lý lấy
mẫu:
U
0
U
0
t
t
Hình 1-3

MAX
lm
F2
1
T

Với T
lm
là chu kỳ lấy mẫu;
F
MAX
là tần số lớn nhất của tín hiệu.
8
2. Các thông số của các dạng tín hiệu
a. Tín hiệu điều hoà

Dao động điều hoà dùng để mô phỏng tiếng nói, âm nhạc, , và có biểu thức toán
học dới dạng hình sin (hoặc cos):
s(t)= A
m
sin(2f
0
t+
0
)
Đồ thị của nó nh trong hình 1-4.
Ngoài thời gian t cón có các thông số A
m
, f
0
, và
0
tham gia vào tín hiệu này.
A
m
: Biên độ của dao động, có thứ nguyên là vôn (V) nếu s(t) là điện áp, hoặc có
thứ nguyên là ampe (A) nếu s(t) là dòng điện.
f
0
: Tần số của dao động, đo bằng héc
(Hz); Từ tần số f
0
, còn có các thông số dẫn
xuất sau đây:
Hình 1-4

0
: Tần số góc, đo bằng radian/s;

0
=2f
0
T
0
: Chu kỳ, đo bằng giây và ta có:

0
0
f
1
T =


0
: Bớc sóng, đo bằng mét và

0
0
f
c
=

trong đó c=3.10
8
m/s, là vận tốc ánh sáng.

0
: Góc pha đầu của dao động, đo bằng độ hoặc radian. Góc pha đầu tính từ một
thời điểm bất kỳ đợc chọn làm gốc. Vì gốc thời gian là tuỳ ý nên khi nói đo pha, không
phải là đo pha đầu của một dao động mà là đo sự dịch pha giữa hai dao động điều hoà
cùng tần số (hình 1-5).
Biên độ A
m
đo bằng vôn-mét
nếu s(t) là điện áp, hoặc bằng ampe-
mét nếu s(t) là dòng điện. Trên thang
đo của các dụng cụ này, ngời ta
không khắc độ theo giá trị biên độ của
dao động mà khắc độ theo giá trị hiệu
Hình 1-5

9
dụng. Giữa giá trị hiệu dụng A và giá trị biên độ A
m
có quan hệ sau:
m
m
0,707A
2
A
A =
Tần số f
0
hoặc bớc sóng
0
đo bằng máy đo tần số (tần số-mét) hay máy đo sóng.

Thật ra, trong hai đại lợng này có thể chỉ cần đo một đại lợng rồi suy ra đại lợng kia.
Dịch pha giữa hai dao động điều hoà đợc đo bằng máy đo pha (pha-mét)
Trong kỹ thuật đo lờng điện tử, dao động điều hoà đợc tạo ra bằng các bộ tạo
sóng (âm tần, cao tần và siêu cao tần) đặc biệt. Nhờ có những cơ cấu điều chỉnh và các
bộ hiển thị kiểm tra nên biên độ và tần số của dao động tạo ra ta có thể biến đổi đợc
trong một phạm vi nào đó, thờng là khá rộng. Trong số các máy phát tín hiệu đo lờng,
thì các máy phát tín hiệu dao động điều hoà là phổ biến nhất.
b. Tín hiệu tuần hoàn
Tín hiệu loại này có dạng tuỳ ý và vì vậy về mặt nào đó, nó là tổng quát hơn các
trờng hợp trên. Do tính tuần hoàn nên có thể biểu diễn nó dới dạng sau:
s(t)= s(t+nT) khi - < t < +;
trong đó T là chu kỳ lặp lại của tín hiệu (
F
1
T =
, với F là tần số lặp lại).
Xét một dạng mẫu của tín hiệu này ở hình 1-6.
Vì dạng là bất kỳ nên để đặc trng cho loại này, chúng ta phải dùng khá nhiều
thông số, ta sẽ lần lợt nêu ra dới đây.
Trong trờng hợp tổng quát, dao động có thể có thành phần một chiều (hình 1-6)
và do đó ta có thể xem nó nh tổng của thành phần một chiều này với thành phần xoay
chiều (thành phần biến đổi trên hình 1-6):
s(t)=s_ + s
~
(t)
Trong đó thành phần một chiều:

dts(t)
T
1

s_
Tt
t

+


=

10
t
*
là thời điểm tuỳ chọn, nếu chọn t
*
=0 thì

dts(t)
T
1
s_
T
0

=

Hình 1-6
Từ đây ta thấy rằng s_ chính là chiều cao (biên độ) của một xung vuông có độ
rộng là T và đợc tính bằng phần mặt phẳng giới hạn bởi phần đờng cong s(t) nằm
trong khoảng T và trục thời gian t. Nếu kể trong một chu kỳ T thì phần diện tích nằm
giữa thành phần xoay chiều s

~
(t) và mức một chiều s_ đợc phân bố đều trên và dới
mức này.
Độ lệch cực đại của s(t) tính từ mức một chiều về hai phía A
trên
và A
dới
có thể khác
nhau nên ở đây không dùng khái niệm biên độ chung đợc. Tổng của hai đại lợng này
xác định khoảng biến thiên của thành phần xoay chiều:
A
t
=A
trên
+A
dới

Công suất tức thời của điện áp hoặc dòng điện tiêu thụ trên một điện trở R vẫn tính
nh thờng lệ:

11

Ri
R
(t)u
p(t)
2
2
==

Tuy nhiên trong tính toán và đo lờng, ngời ta hay dùng khái niệm công suất
trung bình hơn. Nếu điện trở tải R bằng 1 thì công suất trung bình sẽ tính nh sau:

dt(t)i
T
1
dt(t)u
T
1
p(t)dt
T
1
P
T
0
2
T
0
2
T
0

===
(1)

Khái niệm công suất trung bình có liên quan đến các giá trị hiệu dụng của dao
động:

(t)dts
T

1
s
T
o
~hd

=
(2)
Hình 1-6c biểu diễn đờng cong s
~
(t) tơng ứng với hình 1-6a. Từ đó, dễ thấy rằng
công suất trung bình chính là mức một chiều của s
2
~
(t) bởi vì từ (1) và (2) ta có:
P=s
2
hd

Để đo lờng các thông
số kể trên, ngời ta dùng
nhiều dụng cụ đo khác nhau.
Vôn-mét (hoặc ampe-mét)
một chiều để đo s_. Thành
phần xoay chiều có thể tách
riêng ra để đo các thông số
của nó bằng cách cho tín hiệu
s(t) đi qua tụ điện hoặc biến
áp. Các thông số A
trên

, A
dới
đo
bằng vôn-mét đỉnh (nếu s(t) là
điện áp). Thông thờng để đo các giá trị tức thời và nghiên cứu dạng của tín hiệu dao
động, ngời ta dùng dao động ký. Công suất trung bình P đo bằng oát-mét.
Hình 1-7
Các giá trị đỉnh, trung bình, hiệu dụng, công suất của dao động cũng nh các giá
trị tức thời thờng đợc gọi chung là các thông số cờng độ.
Ngoài phơng pháp đo trực tiếp bằng các dụng dụ kể trên, ngời ta còn có thể đo
các thông số và đặc tính của loại tín hiệu này dựa vào nguyên lý đợc nêu ra sau đây.
Mọi dao động tuần hoàn có dạng bất kỳ đều có thể phân tích thành tổng của vô số
dao động điều hoà với thành phần một chiều:
12
s(t)=s
_
+ A
1
sin(t+
1
) + A
2
sin(2t+
2
) + + A
n
sin(nt+
n
) (4)
trong đó, các dao động hình sin thành phần gọi là các sóng hài, =2F gọi là tần

số cơ bản. Các sóng hài có tần số bằng bội số nguyên lần của tần số cơ bản: n; n=1,
2, gọi là bậc của sóng hài. Biên độ A
n
và pha ban đầu
n
phụ thuộc bậc của sóng hài.
Từ đây, chúng ta thấy rằng
s(t) không những có thể biểu diễn
theo thời gian ở dạng hình 1-6 mà
còn có thể biểu diễn theo tần số
nữa. Khi đó, tách s(t) làm hai
thành phần: biên độ và pha. Đồ
thị biểu diễn sự phụ thuộc của
biên độ các hài vào tần số:
A=A() gọi là đồ thị phổ biên độ-
tần số (ví dụ nh trên hình 1.8).
Hình 1.8
Còn đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của pha đầu các hài vào tần số =() gọi là
đồ thị phổ pha-tần số (ví dụ nh hình 1-8b).
Dùng công thức (4) và từ hai đồ thị này có thể lập lại đợc dạng của s(t) ban đầu
(hình 1-8c). Dạng và giá trị của phổ biên độ quan sát và đo đợc bằng máy phân tích
phổ biểu thị bằng ống tia điện tử.
Còn một thông số nữa liên quan đến dao động, là bề rộng phổ f, đo bằng Hz. Đó
là dải tần số trên đo có phân bố các vạch phổ của dao động. Việc bố trí các kênh thông
tin trong một đờng thông tin duy nhất và tính toán dải thông của các thiết bị trong hệ
thống thông tin nhất thiết yêu cầu phải biết bề rộng phổ của tín hiệu chọn dùng. Khi đồ
thị phổ biên độ của dao động đã hiện trên màn hiện sóng của máy phân tích phổ, ta dễ
dàng đo đợc bề rộng phổ f (xem chơng máy hiện sóng).

13
c. Tín hiệu xung
Tín hiệu xung đợc sử dụng đặc biệt rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến: Thông tin
xung, rađa, điều khiển, truyền hình vô tuyến v.v Vì vậy đo lờng các thông số của
xung chiếm một vị trí khá quan trọng.
Tín hiệu xung có nhiều loại và với mỗi loại lại có một nhóm thông số đặc trng.
Ngời ta phân biệt những loại tín hiệu xung sau:
-Xung đơn
-Nhóm xung
-Nhóm xung cốt
-Dãy xung tuần hoàn
* Xung đơn: là dòng điện hoặc điện áp mà giá trị của nó chỉ khác không trong
một khoảng thời gian hữu hạn, có thể so sánh đợc với thời gian quá độ của một mạch
điện nào đó khi xung này tác động vào.
Riêng xung đơn lại có nhiều loại phân biệt nhau theo dạng và mỗi loại gắn liền với
những thông số khác nhau.
Thông dụng nhất là xung vuông (đúng ra phải gọi là xung vuông góc), hình 1-9a.
Trong đó:
A
m
: Biên độ;
: độ rộng xung ; đoạn ab là sờn trớc, đoạn bc là đỉnh và đoạn cd là sờn sau
Hình 1-9
14
của xung
Xung răng ca (hình 1-9b) đợc đặc trng bởi hành trình thuận (đoạn ab) và hành
trình ngợc (đoạn bc). Hình chiếu của các đoạn này trên trục thời gian, tơng ứng là thời
hạn (độ rộng) hành trình thuận
th

và thời gian (độ rộng) hành trình ngợc
ng
. Giá trị
đỉnh của xung gọi là biên độ, ký hiệu là A
m
.
Xung hình thang (1-9c) có sờn trớc là đoạn ab, khi đợc chiếu lên trục thời gian
thì đợc độ rộng sờn trớc
1
; sờn sau cd chiếu lên trục thời gian sẽ đợc độ rộng
sờn sau
2
. Biên độ A
m
tính từ đỉnh xung. Độ rộng xung là khoảng thời gian giữa hai
điểm sờn trớc và sờn sau đạt tới
2
A
m
. Do đó:

2
21
d
+
+=

Nếu giảm
1
và

2
tới không thì xung hình thang sẽ trở thành xung vuông. Nếu
1
=

2
=
0
và
đ
=0 thì xung hình thang sẽ trở thành xung tam giác (hình 1-9c) với độ rộng =

0
. Thật ra, đây cũng là trờng hợp riêng của xung răng ca khi hành trình thuận và hành
trình ngợc bằng nhau.
Xung hàm số mũ (hình 1-9e) có sờn trớc thẳng đứng sau giảm theo hàm số mũ,
tức là:







<
=


0t khi e
0t khi 0

t
m
A
s(t)
Trong đó, A
m
là biên độ, còn là hằng số thời gian của xung.
tính bằng cách kẻ một tiếp tuyến với đờng cong ở một điểm bất kỳ, hoành độ
của nó ký hiệu là t
1
, tiếp tuyến này cắt trục hoành tại điểm t
2
, ta có :
=t
2
- t
1
Ngoài năm dạng trên, ngời ta còn dùng xung đơn có các dạng khác nhau nữa,
nh xung hình chuông, xung hình sin bình phơng Tuy nhiên, các dạng xung này
không điển hình lắm.
*Nhóm xung: là tập hợp của một số xác định các xung đơn cùng dạng cách đều
nhau. Các thông số của loại này là: số xung k, chu kỳ lặp tại T, thời hạn nhóm xung T
n
.
Nhóm xung vẽ ở hình 1-10, với giả thiết các xung thuộc nhóm là xung vuông, có độ
rộng . Từ hình vẽ ta thấy:
T
n
=(k-1)T+

15
Hình 1-10
*Nhóm xung cốt: khác với nhóm xung ở chỗ các xung trong nhóm có thể không
cùng một dạng và khoảng cách giữa chúng là tuỳ ý. Tuy nhiên, số xung trong nhóm,
dạng và giá trị các thông số của mỗi xung đã biết một cách chính xác. Khi tính khoảng
cách giữa hai xung trong nhóm, ngời ta tính từ điểm các sờn trớc đạt tới một nửa
biên độ (hình1-11).

Hình 1-11
*Dy xung tuần hoàn: là sự lặp lại một cách đều đặn (với chu kỳ T) xung đơn có
dạng nào đó. Đối với loại tín hiệu này, các thông số là độ rộng xung , tỷ số
q
T
=

gọi
là độ trống (độ rỗng) của dãy xung, còn nghịch đảo của nó
Tq
1
d

== gọi là hệ số lấp
đầy.
Đôi khi còn dùng cả những nhóm xung tuần hoàn hoặc nhóm cốt xung tuần hoàn.
Để đo lờng các thông số xung, ngời ta dùng các vôn-mét đỉnh (vôn-mét xung),
máy đo thời gian, máy đo tần số lặp lại. Nhng trong đo lờng xung, thông thờng hơn
cả là dùng các dao động ký xung có trang bị các khối chuẩn thời gian, chuẩn biên độ
theo cả hai trục X và Y.
Do yêu cầu tạo ra tín hiệu xung với giá trị các thông số cho trớc, ngời ta thiết kế
các máy phát xung đo lờng cũng có những cơ cấu điều chỉnh nh các máy phát sóng

điều hoà đã nói ở trên. Mỗi máy phát xung thờng có nhiều đầu ra riêng biệt cho phép
lấy ra những xung có dạng khác nhau.

16
d. Tín hiệu số
Tín hiệu số có bản chất là tín hiệu mang thông tin dạng số nhị phân bao gồm các
tín hiệu biểu thị cho số 0 và số 1. Để định nghĩa các bit 0 và 1, ngời ta có thể sử dụng
rất nhiều cách. Ví dụ nh ngời ta có thể dùng mức điện áp, cụ thể thông thờng ngời
ta thờng định nghĩa bit 0 ứng với mức điện áp 0V (0-0,5V) và bit 1 ứng với mức điện
áp 5V (4,5-5,5V). Ngoài ra ngời ta cũng có thể quy định ngợc lại, mức điện áp thấp
ứng với bit 1 và mức điện áp cao ứng với bit 0. Ta sẽ xét cụ thể theo dạng định nghĩa
trớc.
Tín hiệu số thờng đợc biểu thị dới dạng chuỗi xung vuông. Nếu tín hiệu là bit
1, ta sẽ có một xung vuông có mức điện áp cao, nếu tín hiệu là bit 0 thì điện áp ở mức
thấp. Do đó, tín hiệu điện áp dù là mức cao hay mức thấp thì nó đều có ý nghĩa mang tin
tức. Khoảng cách giữa các bit cách đều nhau và độ rộng của một bit tín hiệu thì hoàn
toàn phụ thuộc vào việc ngời dùng định nghĩa tín hiệu đó. Hình 1-12 là một ví dụ về tín
hiệu số.
t 0
U
0 1 0 0 1 0 1 0 1 1
Hình 1-12
Khi tín hiệu số đợc truyền đi, ngời ta có thể dùng các phơng pháp mã hoá khác
nhau. Tuỳ theo phơng pháp mã hoá của tín hiệu mà dạng của tín hiệu số đã đợc điều
chế này sẽ khác nhau.
1.1.2 Các tham số và đặc tính của mạch điện tử
Trong quá trình thông tin, điều khiển trong điện tử , tín hiệu luôn luôn đợc biến
đổi từ dạng này sang dạng khác. Tổ hợp các linh kiện theo một cách nào đó nhằm thực
hiện việc biến đổi nói trên gọi là một mạch điện. Các linh kiện của mạch điện bao gồm
điện trở, tụ điện, điện cảm, các loại đèn điện tử và bán dẫn, IC và các phụ kiện khác

nữa.
Tuỳ thuộc vào tính chất các phần tử đợc sử dụng, mạch điện có thể chia thành
mạch tuyến tính và mạch phi tuyến. Vì bản chất hai loại mạch này khác nhau nên các
thông số và đặc tính của chúng cũng khác nhau.

17