Bài giang môn Đo Lường

Chơng I: Giới thiệu chung về kỹ
thuật đo lờng điện tử
1.1. Khái niệm chung
Định nghĩa
Đo lờng là một qúa trình đánh giá
định lợng đại lợng cần đo để có
kết quả bằng số so với đơn vị đo.

1.2. Các đặc tính và thông số của tín hiệu
Khái quát
Tín hiệu đợc mô tả bằng biểu thức toán học sau:
s(t) = s(t,a1,a2 an)
hoặc s(f) = s(f,b1,b2 bn)
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 a1,a2 an
và b1,b2 bn.
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 (tuỳ vào loại tin tức mà tín hiệu này
phản ánh).

Để nghiên cứu những biện pháp truyền dẫn và
biến đổi tín hiệu => cần phải tiến hành đo lờng
thông số của nó.

Ngời ta không xét tới thông số của tất cả các loại

tín hiêu, 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 t
ợng đo lờng là rất ít so với số lợng tín hiêụ trên
thực tế và đợc gọi là những tín hiệu mẫu.

Số tín hiệu mẫu này là tối thiểu nhng về mặt đo l
ờng, chúng đã thoả mã 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 đạng tín hiệu khác.

Các tín hiệu trong điện tử thờng đợc biểu
diễn theo hàm của thời gian hoặc theo hàm của
tần số.

Dạng các tín hiệu cơ bản đợc khảo sát thông
số, bao gồm:

Các thông số của tín hiệu điều hoà
Dao động điều hoà dùng để mô phỏng tiếng nói,

âm nhạc và có biểu thức toán học d!ới dạng
hình sin hoặc cos:
s(t) = Amsin (2f0t+0)
Đồ thị của nó nh! trong hình 1-4.
Ngoài thời gian t còn có các thông số Am, f0 và
0 tham gia vào tín hiệu này.


Am: 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.

f0: Tần số của dao động, đo bằng héc (Hz)

0: Tần số góc, đo bằng rađian/s:0 = 2f0

T0: chu kỳ, đo bằng giây: T= 1/f0

0 B!ớc sóng, đo bằng mét: 0 = c/f0
trong đó c =3.108 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 đ!ợc 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 Am đo bằng vônmét, nếu s(t) là điện áp, hoặc bằng

ampe - mét nếu s(t) là dòng điện.

Trên thang đo của các dụng cụ này, ng!ời ta không khắc độ
theo giá trị biên độ của dao động mà khắc độ theo giá trị
hiệu dung. Giữa giá trị hiệu dung A và giá trị biên độ A có
quan hệ nh! sau:
m
m
A
A
A 707.0
2
=


Tần số f0 hoặc b!ớc sóng 0 đo bằng máy đo tần số
(tần số - mét) hay máy đo sóng.

Thật ra trong hai đại l!ợng này có thể chỉ cần đo
một đại l!ợng rồi ruy ra đại l!ợng kia.

Dịch pha giữa hai dao động điều hoà đ!ợc đo bằng
máy đo pha (pha mét).

dao động điều hoà đ!ợc 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 taọ ra,
ta có thể biến đổi đ!ợc trong một phạm vi nào đó,

th!ờng là khá rộng. Trong số các máy phát tín hiệu
đo l!ờng thì các máy phát tín hiệu dao động điều
hoà là phổ biến nhất.

C¸c th«ng sè cña dao ®éng tuÇn
hoµn bÊt kú


Tín hiệu loại này có dạng tuỳ ý

nó tổng quát hơn các tr!ờng hợp trên.

Do tính tuần hoàn nên có thể biểu diễn nó d!ới dạng
sau:

s(t)=s(t+nT) khi - < t < +

Trong đó T là chu kỳ lặp lại của tín hiệu (T=1/F, với
F là tần số lập lại).

Xét một dạng mẫu của tín hiệu này ở hình 1-6.

Vì dạng là bất kỳ nên để đặc trung cho loại này,
chúng ta phải dùng khá nhiều thông số, ta sẽ lần l!ợt
nêu ra d!ới đây.


Trong tr!ờng 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)

Từ đây ta thấy rằng s- chính là chiều cao (biên độ)
của một xung vuông có độ rộng là T và đ!ợc tính
bằng phần mặt phẳng giới hạn bởi phần đ!ờng 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- đ!ợc phân bố đều trên và d!ới mức này.


Độ lệch cực đại của s(t) tính từ mức một chiều về hai phía
Atrên và Ad!ới có thể khác nhau nên không dùng khái niệm
biên độ chung đ!ợc. Tổng của hai đại l!ợng này xác định
khoảng biến thiên của thành phần xoay chiều:

At = Atrên + Ad!ới

Để đo l!ờng các thông số trên, ng!ời ta dùng nhiều dụng cụ
đo khác nhau (Von mét hoặc ampemét) 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 Atrên, Ad!ới đo bằng vôn mét đỉnh (nếu s(t) là
điện áp). Thông th!ờng để đo các giá trị tức thời và nghiên
cứu dạng của tín hiệu dao động, ng!ời ta dùng dao động ký.

Công suất trung bình P đo bằng oát mét.


Các giá trị đỉnh, trung bình, hiệu dụng, công suất của dao
động cũng nh! các giá trị tức thời th!ờng đ!ợc gọi chung là
"các thông số c!ờng độ.

Ngoài ph!ơng pháp đo trực tiếp bằng các dụng cụ kể trên,
ng!ời ta còn có thể đo các thông số và đặc tính của loại tín
hiệu này đựa vào nguyên lý đ!ợc 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.

s(t) = s + A1sin (t + 1) + A2sin (2t + 2) + + Ansin
(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 An và pha ban đầu n phụ
thuộc bậc của sóng hài


s(t) có thể biểu diễn theo thời gian & theo tần số.
Khi đó, tách s(t) làm hai thành phần: biên độ và pha

đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc biên độ các hài vào tần
số A = A() gọi là đồ thị phổ biên độ tần số (ví dụ

hình 1.8a).

đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của pha đầu các hài
vào tần số =(t) gọi là đồ thị phổ pha tần số ( ví dụ
hình 1-8b).

Dùng công thức s(t) = s + A1sin (t + 1) + A2sin
(2t + 2) + + Ansin (n t + n) (4) và từ hai đồ
thị này có thể lập lại đ!ợc dạng của s(t) ban đầu
(hình 1-8c).


Dạng và giá trị của phổ biên độ quan sát và đo đ!ợc
bằng máy phân tích phổ biểu thị bằng ống tia điện
tử.

bề rông phổ f, đo bằng Hz. Đó là dải tần số trên đó
có phân bố các vạch phổ của dao động.

Việc bố trí các kênh thông tin trong một đ!ờng
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 đ!
ợc bề rộng phổ f

Các thông số của tín hiệu xung
Tín hiệu xung đợc sử dụng trong kỹ thuật vô
tuyến: Thông tin xung, ra đa, 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 đ!ợc 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 (gọi là xung vuông
góc), hình 1-9a.

Trong đó:

Am: biên độ;

: độ rộng xung; đoạn ab là s!ờn tr!ớc, đoạn bc là

đỉnh và đoạn cd là s!ờn sau của xung.


Xung răng c!a (hình 1-9b) đ!ợc đặc tr!ng bởi hành
trình thuận (đoạn ab) và hành trình ng!ợc (đoạn bc).
Hình chiếu của các đoạn này trên trục thời gian , t!
ơng ứng là thời hạn (độ rộng) hành trình thuận n và
thời gian (độ rộng) hành trình ng!ợc n. Giá trị đỉnh
của xung gọi là biên độ, ký hiệu là Am.

Xung hình thang (1-9c) có s!ờn tr!ớc là đoạn ab, khi
đ!ợc chiếu lên trục thời gian thì đ!ợc độ rộng s!ờn
tr!ớc n: s!ờn sau cd chiếu lên trục thời gian sẽ đ!
ợc độ rộng s!ờn sau 2, biên độ Am tính từ đỉnh
xung. Độ rộng xung là khoảng thời gian giữa hai
điểm s!ờn tr!ớc và s!ờn sau đạt tới


Nếu giảm 1 và 2 tới không thì xung hình thang sẽ
trở thành xung vuông. Nếu 1=2=0 và d=0 thì
xung hình thang sẽ trở thành xung tam giác (hình 1-
9c) với độ rộng =0.

đây là tr!ờng hợp riêng của xung răng c!a khi hành
trình thuận và hành trình ng!ợc bằng nhau.

Xung hàm số mũ (hình 1-9c) có s!ờn tr!ớc thẳng
đứng sau giảm theo hàm số mũ.

trong đó Am là biên độ, còn là hằng số thời gian

của xung.

tính bằng cách kẻ một tiếp tuyến với đ!ờng cong ở
một điểm bất kỳ, hoành độ của nó ký hiệu là t1, tiếp
tuyến này cắt m trục hoành tại điểm t2, ta có:

= t2 - t1


Ngoài năm dạng trên, ng!ời ta còn dùng xung
đơn có các dạng khác nhau nh!:

xung hình chuông

xung hình sin bình ph!ơng

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 lập tại T, thời hạn nhóm xung Tn,

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:

Tn= (k-1) T+


C¸c th«ng sè cña tÝn hiÖu ®iÒu chÕ

1.3. C¸c ®Æc tÝnh vµ th«ng sè cña
m¹ch ®iÖn


Trong quá trình thông tin, điều khiển trong điện tử,
tín hiệu luôn luôn đ!ợc 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 đ!ợc 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.


Mạch tuyến tính tạo thành từ những phần có giá trị

không phụ thuộc vào dòng điện chảy qua nó.

Các phân tử của mạch tuyến tính th!ờng là: điện trở,
tụ điện, cuộn cảm không lõi sắt; đèn điện tử và bán
dẫn làm việc ở trên đoạn đ!ờng thẳng của đặc tuyến.

Tuỳ theo tần số của tín hiệu cần thông qua mạch, mà
cấu tạo của các phần tử của mạch có khác nhau và
do đó mạch tuyến tính lại còn đ!ợc chia thành hai
nhóm; mạch có phần tử tập trung và mạch có phần
tử phân bố.

Để đo các thông số vừa kể trên của mạch có phần tử
tập trung, ng!ời ta dùng máy đo điện trở (ôm - mét),
máy đo điện cảm và điện dung, máy đo trở kháng
toàn phần và máy đo hệ số phẩm chất (Q - mét).