Đo độ di pha bằng phương pháp đo điện áp trong kỹ thuật đo lường điện tử

Bài thuyết trình:
Đo độ di pha bằng phương pháp đo
điện áp.
I. Khái niệm độ di pha
Khái niệm về pha được gắn liền với khái niệm về dao động điều
hòa. Bất cứ một dao động điện từ nào có dạng:
u = Um sin(t + )
cũng được biểu thị bằng các đặc tính: biên độ, tần số và pha.
Pha của dao động ở đây là: α = (t + ), nó gồm có hai thành phần: t
là trị số pha tức thời, và là hàm số bậc nhất biến đổi theo thời gian;
và là trị số pha ban đầu, là một hằng số.

I. Khái niệm độ di pha
Pha cũng được đo bằng đơn vị radian hay độ.
Trị số pha ban đầu của một dao động trên thực tế chẳng có ý
nghĩa gì đặc biệt; bởi vì ta có thể tịnh tiến gốc thời gian để cho trị số
đó bằng 0 cũng được (ở hình 4-72, nếu đổi gốc thời gian từ điểm O
đến O’, thì pha ban đầu của dao động bằng 0).
Với hai dao động có cùng tần số và có trị số pha ban đầu khác
nhau như:
u1 = Um1 sin( t + 1)
u2 = Um2 sin( t + 2)
thì vấn đề cần xét là trị số sai pha là trị số sai pha của hai dao
động. Trị số sai pha này bằng:
= 1 -2 (1)
Để đơn giản, ta xác định pha ban đầu của một dao động bằng 0, ví
dụ 2 = 0, khi đó công thức (1) sẽ bằng:
= 1 (2)
Ta có khái niệm về độ di pha của hai dao động cùng tần số. Nó là
hiệu số pha ban đầu của hai dao động , và là một hằng số, không

phụ thuộc vào thời gian.

Như vậy, khái niệm về vấn đề đo pha của tín hiệu chủ yếu là đo độ
di pha của tín hiệu chứ không phải là đo trị số pha ban đầu ( ở đây
cũng cần lưu ý về danh từ dùng : di pha và dịch pha là hai từ đồng
nghĩa).
Khi có một dao động điện từ được truyền dẫn qua một mạch, thì do
phản ứng của mạch ( của các phần tử có quán tính, của đèn điện tử,
đèn bán dẫn ) mà làm cho tín hiệu đó bị di pha. Sự di pha của điện
áp đầu ra so với điện áp đầu vào của một mạch bất kỳ được xác định
theo công thức:
= tch + n (3)


ở đây, tch là thời gian làm chậm của mạch; n là số tầng làm cho
điện áp đảo pha 180 ( ví dụ truyền đạt qua đèn điện tử).
Tất cả các bộ phận của mạch điện như biến áp, bộ lọc, bộ khuếch
đại đều gây di pha.
Khi tính toán điều chỉnh thiết bị cần phải đo được độ di pha này.
Ngày nay, trong kỹ thuật điện tử và thông tin người ta dùng khá
nhiều phương thức điều chế pha, do vậy vấn đề đo pha ở trường hợp
này đã trở thành phép đo cơ bản khi thực hiện điều chỉnh cũng như
khi khai thác thiết bị.


Để biểu thị đặc tính của thiết bị điện tử, ví dụ như đặc tính méo
pha, thì một số các thiết bị đã xét tới quan hệ biến thiên của pha theo
tần số. Quan hệ phụ thuộc này gọi là đặc tính pha ( hay đặc tính pha-
tần số). Nó là quan hệ của độ di pha giữa điện áp đầu ra và đầu vào
trong dải tần số công tác của thiết bị.

Cũng cần lưu ý khái niệm di pha ở đây chỉ được dùng với các dao
động điều hòa có tần số bằng nhau như các dạng hàm số sin hay
cosin như trong công thức trên.
Nếu hai dao động có tần số khác nhau, ví dụ 1 và 2 thì độ di pha
của chúng bằng: = 1t + 1- 2t -2 = (1 - 2)t + 1 - 2 (4)

Các phương pháp đo pha cơ bản là: phương pháp vẽ dao động đồ;
phương pháp biến đổi độ di pha thành khoảng thời gian; phương
pháp biến đổi độ di pha thành điện áp; phương pháp biến đổi tần số
và phương pháp bù. Như vậy với các phương pháp đo này thì phép
đo độ di pha trở thành các phép đo khoảng thời gian, đo điện áp, đo
tần số như ta đã nghiên cứu. Ở chương này, ta chỉ xét với các
phương pháp chủ yếu và thông dụng trong kỹ thuật điện tử.
II. Đo di pha bằng phương pháp đo điện áp
1.Phương pháp trực tiếp đo điện áp tổng
Phương pháp này được sử dụng nhiều ở tần số thấp. Ta biết rằng
tổng của hai điện áp dạng điều hòa:
u1 = Um1 sint
và u2 = Um2 sin(t + )
thì có phụ thuộc vào góc di pha của hai điện áp này (hình 4-74):
2 = U21 + U22 + 2U1U2 cos (5)
do đó:
=arcos (6)
Từ quan hệ trên, ta có thể xác định được góc pha bằng cách trực tiếp
đo trị số điện áp tổng ( hay còn bằng cách trực tiếp đo trị số điện áp
hiệu ) và riêng rẽ hai điện áp hiệu của chúng với cùng một vôn mét.

Mạch điện đo di pha theo phương pháp này ví dụ như hình 4-75.
Các điện áp đo được ở đây là U1 , U2 và ;còn trị số độ di pha

được tính theo công thức (6) .


Để cho phép tính được đơn giản hơn, các điện áp U1 và U2 được
chọn bằng nhau: U1 = U2 = U
Lúc này ta có:
2 = 2U2 ( 1+ cos ) = 4U2 cos2
do đó:
= 2arcos (7)
Trường hợp không đo điện áp tổng , mà là đo trị số điện áp hiệu, ta
có :
U2= U21 + U22 - 2U1U2cos (8)

Khi U1 = U2 = U thì trị số di pha bằng: 2U
= 2arsin (9)

2.Phương pháp dùng mạch tách sóng
Phép đo độ di pha bằng điện áp tổng và hiệu các điện áp đo còn
có thể được thực hiện kết hợp bằng mạch tách sóng cân bằng pha
như hình 4-76 :
Hai đầu vào 3-4 và 5-6 được đưa vào là hai điện áp cần đo độ di pha.
Để đơn giản ta thường lấy U1 = U2 = U . Trên đèn hai cực Đ1 có điện
áp tổng : = U1 + U2 và trên đèn hai cực Đ2 có điện áp hiệu U = U1 –
U2 .
Nếu hai đèn Đ1 và Đ2 đồng nhất và là loại có đặc tính tách sóng
đường thẳng, thì thành phần điện áp một chiều được chỉnh lưu ra trên
tải giữa hai điểm 0-1 là tỷ lệ với trị số điện áp tổng:
= cos (10)



Cũng thế, thành phần điện áp một chiều được chỉnh lưu ra trên tải
giữa hai điểm 0-1 và 0-2 thì tỷ lệ với trị số điện áp hiệu:
= sin (11)
Như vậy, điện áp giữa hai điểm 1-2 được đo bằng Vôn- Mét , nó
bằng hiệu số giữa điểm 0-1 và 0-2.


Hình 4-77 vẽ các đường biểu diễn của các điện áp đo ở trên. Đường
a là đường biểu diễn của (10), đường b là đường biểu diễn của (11)
và đường c là đường biểu diễn điện đo trên vôn-mét V.
Từ các đường cong biểu diễn này ta thấy là: Khi = 90 thì kim chỉ thị của
vôn-mét bằng 0. Khi độ di pha có giá trị khác 90 , thì vôn-mét có trị số chỉ
thị khác 0, cực tính của điện áp này xác định hướng lệch pha từ trị số = 90 .
Nếu chọn đồng hồ chỉ thị của vôn-mét là loại có điểm chị thị 0 ở giữa
thang chia độ, thì đồng hồ của vôn-mét có thể trực tiếp khắc độ theo độ di
pha, ta có một pha-mét đọc trực tiếp.


Theo nguyên lý của phương pháp đo trên, còn có thể thực hiện bằng
sơ đồ điều chế mạch vòng như hình 4-78.
Hai điện áp cần đo di pha được đưa vào hai đầu vào 1-2 và 3-4. Tại
hai đầu vào này chúng đều được phân thành hai thành phần bằng
nhau trên các điện trở R.
Giả thiết là các đèn tách sóng Đ1, Đ2, Đ3, Đ4 có đặc tuyến giống
nhau và được biểu diễn bằng:
i = a0 + a1u + a2u2
Trị số dòng điện tức thời qua đồng hồ chỉ thị V thì bằng:
i1 = a0 +a1(-u2 - u1) + a2(-u2 - u1)2
i2 = a0 +a1(-u2 + u1) + a2(-u2 + u1)2
(12)

i3 = a0 +a1( u2 - u1 ) + a2( u2 - u1)2

i4 = a0 +a1( u2 + u1) + a2( u2 + u1)2

Vì u1 = Um1 sin và u2 = Um2 sin(t + ) nên trị số tức thời của
dòng điện tổng hợp i chảy qua đồng hồ V là:
i = i1 – i2 – i3 + i4 = 8a2u1u2 (13)

Thay thế và ước lượng các biểu thức, ta có trị số trung bình của
dòng điện qua đồng hồ V là:
I = 4a2 Um1 Um2 cos (14)

Từ (14) thấy, nếu giữ cho biên độ các điện áp đo không đổi, thì
đồng hồ V có thể khắc độ theo đơn vị di pha .



Nếu điện áp u1 được đưa qua bộ dịch pha có khắc độ, thì thiết bị
đo pha này được thuận tiện hơn. Nhờ bộ dịch pha, ta biến đổi để cho
2u1 dịch pha với 2u2 một góc 90 , thì theo biểu thức (14), đồng hồ
chỉ thị chỉ trị số 0 ( chỉ thị cân bằng).
Các loại pha-mét kiểu tách sóng thì có dải tần số công tác rộng
hơn, tới vài trăm MHz, và có độ chính xác khoảng chừng ( 2 3).

THE END