Nghiên cứu thiết kế, chế tạo nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều dùng trong đo lường

1
Mở đầu
Thông tin đo lờng đợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học và
sản xuất hiện đại để tự động hoá và kiểm tra quá trình công nghệ, kiểm tra
chất lợng sản phẩm. Trong tất cả các loại thông tin đo lờng (thông tin về giá
trị của đwại lợng) thì thông tin dới dạng điện áp xoay chiều đợc sử dụng
phổ biến hơn cả. Hiện nay, vấn đề đo lờng điện áp xoay chiều đã đợc nhiều
cơ sở trong và ngoài nớc nghiên cứu và đã chế tạo đợc rất nhiều model
vônmét xoay chiều có độ chính xác cao.
Sự xuất hiện của các thiết bị chuẩn đa trị (chuẩn mức) điện áp là do nhu
cầu trong kiểm định, hiệu chuẩn vônmét, đặc biệt là các vônmét số có độ
chính xác cao. Tuy nhiên, do đặc thù riêng của vônmét loại này, các thiết bị
chuẩn mức phải có sai số thiết lập điện áp ra vào khoảng 0,003
ữ
0,0003%, dải
điện áp ra từ trăm nanô Vôn đến 1000V. Để kiểm tra độ phân giải của các
vônmét số, các chuẩn đa trị phải có các bớc cỡ 0,1V. Mặt khác do các
vônmét số có trở kháng vào khá cao nên các chuẩn đa trị điện áp chỉ cần cho
ra dòng tải cỡ 0,1 - 1mA. Nh vậy, các chuẩn đa trị điện áp cần phải có cùng
cấp chính xác với chuẩn điện áp ở các cơ sở đo lờng Quốc gia. Hiện nay trên
thế giới thờng sử dụng bộ pin chuẩn điện tử của hãng Fluke (Mỹ), ở chế độ
đơn lẻ pin chuẩn loại này (723B) có độ không bảo đảm đo cỡ 1ppm, nếu để
hợp 4 bộ pin chuẩn loại này trong cùng một vòng so sánh và dẫn xuất chuẩn
nhờ hiệu ứng Jozepson thì độ không bảo đảm đo của điện áp một chiều có thể
đạt 0,01ppm.
Đối với chuẩn điện áp xoay chiều độ chính xác giảm đi hàng trăm lần
do nhiều yếu tố ảnh hởng, nhất là ở dải tần số rộng. Để không ngừng nâng
cao độ chính xác của các vôn mét đo điện áp xoay chiều thì việc phải tạo đợc
các nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều có độ chính xác cao là một đòi hỏi
cấp bách. Muốn đạt đợc điều đó thì việc quan tâm nghiên cứu về nguồn

2
chuẩn mức, các cấu trúc, tính toán thiết kế nguồn chuẩn mức điện áp xoay
chiều là một công việc có tính thực tế và thời sự.
Tên đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo nguồn chuẩn mức
điện áp xoay chiều dùng trong đo lờng
Mục đích nghiên cứu của luận văn này là trên cơ sở phân tích các tính
đặc trng kỹ thuật, các cấu trúc của nguồn chuẩn mức để từ đó lựa chọn
phơng án cấu trúc phù hợp để thiết kế thử nghiệm một nguồn chuẩn mức
điện áp xoay chiều dới dạng một sản phẩm hoàn thiện, có thể sản xuất hàng
loạt để trang bị cho các cơ sở đo lờng trong và ngoài Quân đội.
Bố cục của luận văn bao gồm 3 chơng:
Chơng 1: Tổng quan về nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều
Chơng 2: Các cấu trúc của nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều
Chơng 3: Tính toán thiết kế nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều
Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy giáo hớng
dẫn PGS -TS Đỗ Huy Giác, Thạc sỹ Đoàn Minh Định; phòng đào tạo sau đại
học - Học viện kỹ thuật quân sự và Cục Tiêu chuẩn - Đo lờng - Chất lợng đã
giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn.
Tuy nhiên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong các
thầy góp ý và lợng thứ.




3
chơng 1
Tổng quan về nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều
1.1 Những vấn đề chung
Các loại vôn mét hiện số có độ chính xác cao đòi hỏi phải có các

phơng tiện đặc biệt, tin cậy và chính xác để kiểm định chúng. Do yêu cầu đòi
hỏi của thực tiễn đo lờng nh vậy đã xuất hiện một nhóm thiết bị mới, đó là
các loại nguồn chuẩn mức. Trớc đây, khi cha có nguồn chuẩn mức, để kiểm
định các vôn mét phải dùng một tổ hợp thiết bị bao gồm nguồn có độ ổn định
cao, bộ chia áp chính xác máy bù. Việc kiểm định các vôn mét theo phơng
pháp trên khá phức tạp, độ tin cậy không cao và gặp nhiều khó khăn khi kiểm
định các vôn mét hiện số có độ phân giải nhỏ. Chính vì vậy việc nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo các nguồn chuẩn mức luôn có tính thời sự cao.

1.2 Các đặc trng kỹ thuật cơ bản của nguồn chuẩn
mức điện áp xoay chiều
Một nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều có các đặc trng kỹ thuật cơ
bản sau, theo [6]:
1. Điện áp danh định (các mức điện áp danh định U
k
) là điện áp có thể
thiết lập đợc ở đầu ra của nguồn chuẩn mức bằng các núm nút điều khiển của
thiết bị.
2. Độ bất ổn định điện áp danh định H
H = H(x) (1.1)
Trong đó: x - yếu tố bất ổn định.
Khi xét các thông số của nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều cần xét
các thành phần sau đây của H(x):
+ Độ bất ổn định của điện áp U
k
do sự thay đổi của nguồn nuôi U
c

trong dải làm việc:

4

k
k
c
U
U
)U(H

=

(1.2)
+ Độ bất ổn định của điện áp U
ra
do sự thay đổi dòng tải của nguồn
chuẩn mức điện áp xoay chiều:

k
Hra
H
U
IR
)I(H

=

(1.3)
Trong đó:
R

ra
: Điện trở đầu ra của nguồn chuẩn mức


I
H
: Sự thay đổi dòng tải.
+ Độ bất ổn định điện áp U
ra
do sự thay đổi nhiệt độ môi trờng hoặc hệ
số nhiệt của nguồn chuẩn mức:

0
k
k
0
tU
U
)t(H


=

(1.4)
Trong đó:

t
o
- sự thay đổi nhiệt độ của môi trờng.
Trong đo lờng ngời ta thờng chuẩn hoá hệ số nhiệt của thiết bị trong

dải thay đổi nhiệt độ là 10
o
C và hạn chế chúng bằng các giá trị từ 0,5 đến 1
lần của sai số cơ bản.
+ Độ trôi của điện áp U
k
: Thông thờng là quá trình biến đổi chậm điện
áp theo một hớng nhất định trong một khoảng thời gian xác định (một đơn vị
thời gian).

t.U
)t(U)t(U
)t(H
k
0

=

(1.5)
Trong đó:
U(t) - giá trị tức thời của điện áp U
k
tại thời điểm t
U(t
o
) - giá trị ban đầu của điện áp U
k

3. Xung động U
k

: Thành phần điện áp xoay chiều ở các tần số khác
nhau (là bội số của tần số điện áp mạng hoặc của bộ biến đổi điện áp dùng
làm nguồn nuôi sơ cấp). Xung động đợc đánh giá theo phần trăm của U
k
.


5
4. Chất lợng nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều dùng để kiểm định
các vôn mét số còn đợc xác định bằng các mức thay đổi giá trị điện áp U
k
do
tạp âm, nhiễu, dao động, ký sinh... Tạp âm thờng dới dạng nhiễu trắng, tần
số cao nên trong quá trình thiết kế có thể tính toán để loại bỏ hoặc giảm đợc.
Còn các loại nhiễu tần số thấp thờng khó khắc phục hơn và ảnh hởng đến
độ chính xác của nguồn chuẩn mức. Nhiều khi do chất lợng các mối hàn
không tốt cũng gây nên sức điện động tiếp xúc, gây ra tạp âm.
Sai số do các loại tạp âm này gây ra xác định bằng biểu thức:

k
n
U
U


=

(1.6)
5. Khả năng phân ly hay mức lợng tử: Đó là giá trị nhỏ nhất của điện
áp U

ra
mà có thể thiết lập đợc ở đầu ra trên tất cả các mức:

k
mink
k
U
U
)U(P =

(1.7)
Mức lợng tử và mức nhiễu cũng có thể đợc biểu thị dới dạng giá trị
tuyệt đối.
1.3 Phân loại nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều
Nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều một mặt là nguồn chuẩn điện áp
đa trị, mặt khác nó có thể là nguồn nuôi thứ cấp cho nhiều mạch đo. Vì vậy có
thể phân loại chúng nh sau:
1.Theo phơng pháp điều chỉnh:
- Nguồn chuẩn mức điều chỉnh bằng tay
- Nguồn chuẩn mức điều chỉnh theo chơng trình điều khiển.
2. Theo phơng pháp kiểm định
- Nguồn chuẩn mức kiểm định toàn phần
- Nguồn chuẩn mức cho phép kiểm định từng phần.
3. Theo độ chính xác thiết lập mức điện áp ra:
- Nguồn chuẩn mức có độ chính xác trung bình


6
- Nguồn chuẩn mức có độ chính xác cao.
4. Theo mức điện áp ra:

- Nguồn chuẩn mức điện áp thấp (dới vài chục vôn).
- Nguồn chuẩn mức điện áp cao (đến hàng ngàn vôn).
5.Theo phơng pháp xây dựng sơ đồ cấu trúc
- Loại sơ đồ có cấu trúc mạch hở
- Loại sơ đồ có cấu trúc mạch kín
Các phơng pháp phân loại trên, mặc dù mang tính tơng đối nhng đó
là những cơ sở thuận lợi cho việc phân tích các phơng pháp xây dựng nguồn
chuẩn mức điện áp xoay chiều.
1.4 Các nguồn chuẩn mức thông dụng
Trong thực tế kiểm định các vôn mét đo điện áp xoay chiều cũng nh
thiết kế các thiết bị vô tuyến điện ... xuất hiện sự cần thiết phải có các nguồn
chuẩn mức điện áp xoay chiều có chất lợng cao. Các nhà sản xuất thiết bị đo
lờng trên thế giới cũng đã đa ra thị trờng nhiều loại nguồn chuẩn mức
điện áp xoay chiều. Dới đây sẽ phân tích một số nguồn chuẩn mức điện áp
điển hình đã và đang đợc sử dụng tại Việt Nam nói chung và trong ngành đo
lờng quân đội nói riêng.
1.4.1 Nguồn chuẩn mức B1-4
Nguồn chuẩn mức này tạo ra điện áp một chiều hoặc xoay chiều trong
dải từ 10

V đến 300V. Sai số thiết lập điện áp một chiều là 0,3% và sai số
thiết lập điện áp xoay chiều là 0,5%.
Đây là nguổn chuẩn mức điển hình cho phơng pháp xây dựng theo cấu
trúc mạch hở. Sơ đồ cấu trúc của nguồn B1-4 đợc thể hiện trên hình 1.1.
Theo sơ đồ cấu trúc, thành phần điện áp chuẩn một chiều bao gồm khối
ổn áp chuẩn 30V và 300V một chiều mắc theo sơ đồ ổn áp bù. Điện áp ra sau
mỗi khối có thể thay đổi đợc

15% so với giá trị danh định nhờ chiết áp điều
chỉnh. Bộ chia điện áp chuẩn có nhiệm vụ chia áp từ 30V và 300V xuống

7
thành các mức điện áp khác nhau theo các điểm kiểm tra từ 10

V đến 300V.
Độ bất ổn định và độ gợn của điện áp ra phụ thuộc vào chất lợng của mạch
ổn áp 30V và 300V.











Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc nguồn chuẩn mức B1 - 4
Trong chế độ xoay chiều, điện áp xoay chiều có tần số 55Hz hoặc
400Hz (tuỳ thuộc vào vị trí đảo mạch tần số) đợc đa đến bộ khuếch đại, sau
đó qua bộ chia áp chuẩn để tạo ra các mức điện áp xoay chiều từ 10

V đến
300V
Nhợc điểm của nguồn chuẩn mức này là điện áp ra có thể bị thay đổi
do biến động của tải và do tác động của nhiệt độ nên thiết bị này có độ chính
xác thấp.
1.4.2 Nguồn chuẩn mức B1-8

Nguồn chuẩn mức B1-8 cũng tạo ra điện áp một chiều hoặc xoay chiều
trong dải từ 10

V đến 300V. Đồng thời thiết bị có thể chỉ thị trực tiếp sai số
tơng đối của vôn mét cần kiểm định. Sai số thiết lập điện áp một chiều là
0,2% và sai số thiết lập điện áp xoay chiều là 0,3%. Đây là nguồn chuẩn mức
đợc xây dựng theo phơng pháp cấu trúc mạch kín có hồi tiếp. Sơ đồ cấu trúc
của nguồn chuẩn mức này đợc thể hiện ở hình 1.2.
Khối tạo
dao
động
Chuyển
thang
tần số
Khuếch
đại
Bộ chia
áp chuẩn
ổn áp
chuẩn
300V
ổn áp
chuẩn
30V

Vôn mét
mẫu


Điều

chỉnh
điện
áp ra
U
k


8










Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc nguồn chuẩn mức B1.8
Nguyên tắc hoạt động của nguồn chuẩn mức B1-8 cũng tơng tự
nguyên tắc hoạt động của nguồn chuẩn mức B1-4, chỉ khác là có thêm bộ chia
áp hồi tiếp để đa một phần điện áp ra trở lại so sánh với điện áp mẫu. Điện áp
mang thông tin về sai lệch giữa hai điện áp này sẽ đa đến điều khiển mạch
dao động, làm thay đổi biên độ dao động để giữ cho điện áp ra luôn ổn định.
Biên độ điện áp ra có thể thay đổi đợc 10% so với giá trị đặt nhờ thay đổi
điện áp mẫu.
Từ sơ đồ cấu trúc ta nhận thấy: U
ht
= U
mẫu

, mà U
ht
= U
k
/ K
ht
do đó:
U
k
= K
ht
. U
ht
= K
ht
. U
mẫu
(1.8)
Do vậy sai số thiết lập điện áp ra phụ thuộc vào sai số thiết lập điện áp
mẫu, sai số hệ số chia K
ht
của bộ chia hồi tiếp, sai số của mạch tách sóng và
độ nhạy của mạch tách sóng.
1.4.3 Nguồn chuẩn mức Fluke 5700
Thời gian gần đây, nhờ ứng dụng kỹ thuật số và kỹ thuật vi xử lý trong
thiết kế chế tạo các nguồn chuẩn mức nên độ chính xác của chúng đã đợc
nâng cao đáng kể. Mặt khác nó có thể chỉ thị trực tiếp giá trị điện áp đặt, điện
Khối
dao
động

Chuyển
thang
tần số
Khuếch
đại
Bộ chia
áp chuẩn

So sánh
Điện áp
mẫu
Biến đổi
điện áp


Điều
chỉnh
điện
áp ra
Tách
sóng
ổn áp 30V
Vonmét mẫu
Chia áp
hồi tiếp
U
k
U
mẫu
U

ht


9
áp ra. Ngoài ra trong một thiết bị có thể kết hợp nhiều chế độ chuẩn khác nhau
nh dòng, áp một chiều, xoay chiều và chuẩn điện trở.
Nguồn chuẩn Fluke 5700 có thể tạo chuẩn điện áp từ 10nV đến 1200V
xoay chiều, tần số đến 30MHz khi cha dùng khối phụ (khối mở rộng tần số).
Sơ đồ cấu trúc đơn giản của nguồn chuẩn Fluke 5700 đợc mô tả trên hình 1.3







m





Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc nguồn chuẩn mức Fluke 5700
Về cơ bản thành phần theo sơ đồ cấu trúc của nguồn Fluke 5700 bao
gồm các khối sau: bộ dao động, suy giảm, bộ chia đầu ra, bộ chia hồi tiếp, bộ
tách sóng, bộ biến đổi tơng tự - số (A/D), khối vi vử lý, khối đặt mã bàn
phím, khối chỉ thị và khối nguồn nuôi.
Nguyên lý hoạt động của nó cũng là dạng có cấu trúc mạch kín, trích
một phần điện áp ra để so sánh với điện áp mẫu (mã điện áp đặt so sánh với
mã điện áp hồi tiếp sau biến đổi A/D) nhằm mục đích ổn định biên độ điện áp

ra.
Bộ dao động sử dụng phơng pháp tổ hợp tần số dao động thạch anh
5MHz nhờ có các phép cộng trừ nhân chia tần số. Do vậy tần số dao động có
độ chính xác và độ ổn định rất cao. Tần số điện áp ra do phần vi xử lý điều
khiển tuỳ theo tần số đặt.
Dao động
Suy giảm Khuếch đại Bộ chia đầu ra
Chỉ thị
Khối vi
xử lý
Biến đổi
A/D
Tách
sóng
Bộ chia
hồi tiếp
Đặt mã bàn phím
Nguồn nuôi
U
k
U
ht


10
Hệ số suy giảm và hệ số khuếch đại cũng đợc điều khiển bằng vi xử lý
nhờ sự so sánh giữa mã điện áp đặt và mã điện áp phản hồi. Nếu điện áp ra sai
lệch so với điện áp đặt thì khối vi xử lý sẽ ra lệnh điều chỉnh suy giảm (thô) và
điều chỉnh hệ số khuếch đại (tinh) để bù sai lệch. Do vậy, biên độ điện áp ra
có độ chính xác và độ ổn định rất cao.

Bộ tách sóng xây dựng theo nguyên lý biến đổi Giôdepsơn trong chất
bán dẫn, vì vậy nó có độ chính xác cao và rất tuyến tính.
Khối vi xử lý (VXL) là một hệ VXL tối thiểu. Nhờ kỹ thuật VXL, có
thể sử dụng chơng trình phần mềm hệ số sửa độ phi tuyến của bộ tách sóng
biến đổi xoay chiều thành một chiều (U~/U_), hệ số bù nhiệt khi tham số linh
kiện thay đổi. Ngoài ra nhờ kỹ thuật VXL mà việc chỉ thị mức điện áp ra, tần
số, sai số, đơn vị đo (V, mV, Hz...) đợc mềm hoá theo yêu cầu.

1.5 Thiết bị v các phơng pháp kiểm định nguồn
chuẩn mức điện áp xoay chiều
Cũng nh bất kỳ một thiết bị đo lờng nào khác, nguồn chuẩn mức điện
áp xoay chiều cần đợc kiểm định, hoặc kiểm định toàn phần hoặc kiểm định
từng phần. Kiểm định toàn phần đợc tiến hành bằng cách xác định sai số sai
số của toàn bộ nguồn chuẩn mức (kể cả chuẩn sức điện động) bằng cách xác
định các giá trị U
k
trong tất cả các dải. Khi kiểm định từng phần ngời ta xác
định các sai số của từng bộ phận, từng phần sau đó lấy tổng sai số để xác định
sai số của thiết bị.
Kiểm định toàn phần nguồn chuẩn mức, chẳng hạn nh cấp chính xác
0,001, yêu cầu phải tạo đợc thiết bị cấp chính xác 0,0003 hoặc cao hơn, mà
phải bảo đảm đợc độ chính xác nh vậy khi đo các giá trị U
k
từ dải micrô
vôn (

kV) đến 1000V. Bài toán phức tạp này chỉ có thể đợc giải quyết ở các
cơ quan đo lờng Quốc gia có chuẩn sao của đơn vị điện áp Vôn (V). Các cơ
quan đo lờng khác mặc dù có thể có các thiết bị tơng đối chuẩn nh máy bù

11
P332, bộ chia áp P313 và pin chuẩn có cấp chính xác 0,001 và có bình ổn
nhiệt cũng chỉ cho phép kiểm định với sai số 2,2.10
-5
ở dải đến 200V và 6.10
-3

ở dải điện áp lớn hơn 200V.
Vấn đề trên cũng không thể giải quyết trực tiếp bằng việc sử dụng các
vôn mét chuẩn của các cơ sở giữ chuẩn đo lờng. Vì vậy hiện tại còn tồn tại
nhiều khó khăn trong kiểm định nguồn chuẩn mức trong dải điện áp rộng. Do
đó trong thực tế kiểm định thông thờng thực hiện theo phơng án sau:
- Các nguồn chuẩn mức có độ chính xác thấp (khoảng 0,01%) có thể
kiểm định toàn phần
- Các nguồn chuẩn mức điện áp có cấp chính xác cao cần thiết phải chế
tạo dới dạng kết cấu mà cho phép kiểm định từng phần. Một trong các
phơng pháp thông dụng khi thiết kế nguồn chuẩn mức là nguồn chuẩn có
chứa một chuẩn sức điện động độc lập để hiệu chuẩn các sức điện động của
các khối khác so với chuẩn sức điện động độc lập đó trong chu kỳ nhất định.

Kết luận
Từ các phân tích và khảo sát một số nguồn chuẩn mức trong thực tế có
thể cho phép rút ra các kết luận sau:
- Nguồn chuẩn mức nói chung và các nguồn chuẩn mức điên áp xoay
chiều nói riêng có vai trò quan trọng trong kỹ thuật đo lờng. Nguồn chuẩn
mức cũng có thể dùng để kiểm định các vôn mét hoặc cũng có thể dùng là
nguồn nuôi chuẩn cho các thiết bị vô tuyến khác.
- Khi dùng nguồn chuẩn mức để kiểm định các vôn mét, do điện trở vào
của vôn mét số khá lớn, vì vậy yêu cầu về dòng tải của nguồn chuẩn mức chỉ

đòi hỏi ở khoảng 0,1 - 1mA
- Các cấu trúc khác nhau sẽ cho độ chính xác khác nhau. Các nguồn
chuẩn mức có cấu trúc theo cấu trúc mạch hở có độ chính xác thiết lập điện áp
ra thấp hơn so với các nguồn chuẩn mức có câu trúc mạch kín (cấu trúc có


12
phản hồi). Bên cạnh đó với cùng một phơng pháp xây dựng nhng nhờ áp
dụng các giải pháp kỹ thuật đặc biệt (nh kỹ thuật số, VXL ...) mà các đặc
tính kỹ thuật của nguồn chuẩn mức đợc nâng cao rõ rệt. Đây cũng là một
phơng án thích hợp để thiết kế, chế tạo nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều
có độ chính xác cao.



13
chơng 2
các cấu trúc của nguồn chuẩn mức
điện áp xoay chiều

Xét về mặt cấu trúc, nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều có thể đợc
xây dựng theo hai kiểu cấu trúc, đó là: cấu trúc mạch hở và cấu trúc mạch kín.
Tuỳ thuộc yêu cầu về độ chính xác, chất lợng của các linh kiện và khả năng
tự động hoá mà nguồn chuẩn mức đợc xây dựng theo cấu trúc phù hợp.
Chơng này sẽ trình bày và phân tích hai kiểu cấu trúc trên, cũng nh các biểu
thức tính sai số để là cơ sở cho việc lựa chọn cấu trúc khi thiết kế nguồn chuẩn
mức điện áp xoay chiều

1.2 Nguồn chuẩn mức có cấu trúc hở
Sơ đồ có bản của nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều có cấu trúc hở

đợc trình bày ở hình 2.1




Hình 2.1 Nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều có cấu trúc mach hở
Nguồn chuẩn mức có những thành phần sau:
- Bộ tạo điện áp mẫu: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp xoay chiều có biên độ
U
m
ổn định, hệ số méo phi tuyến thấp. Tần số của điện áp xoay chiều này có
thể thay đổi theo nấc hoặc thay đổi liên tục trong phạm vi dải tần nhất định.
- Bộ khuếch đại: Có nhiệm vụ khuếch đại điện áp xoay chiều tới một
giá trị xác định. Bộ khuếch đại phải đảm bảo đuợc các chỉ tiêu về hệ số

Bộ tạo điện áp
mẫu

Bộ khuếch đại

Bộ chia điện
áp mẫu
U
m

U
k
k
kđ
.U

m

14
khuếch đại, độ tuyến tính của đặc tuyến biên độ - tần số trong dải tần của điện
áp xoay chiều đơc tạo ra từ bộ tạo điện áp mẫu.
- Bộ chia điện áp mẫu sẽ chia điện áp từ đầu ra của bộ khuếch đại thành
các điện áp khác nhau tuỳ thuộc vào việc thiết lập điện áp ra theo yêu cầu.
Từ sơ đồ cấu trúc trên, có thể xác định:
U
k
= U
m
x K
kđ
x K
cm
(2.1)
Trong đó:
U
k
: Điện áp ra của nguồn chuẩn mức
U
m
: Điện áp mẫu
K
kđ
: Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại
K
cm
: hệ số chia của bộ chia mẫu

Để thay đổi biên độ điện áp ra ngời ta có thể thay đổi U
m
hoặc K
cm

hoặc đồng thời cả hai.
Sai số cơ bản thiết lập điện áp ra theo [3] có thể đợc tính bởi công
thức:


U
ra
=
U
m
+
K
kđ
+
K
cm

(2.2)
Trong đó:

U
m
: sai số của điện áp mẫu

K

kđ
: sai số gây nên do sự phi tuyến của đặc tuyến biên độ
tần số của bộ khuếch đại.

K
cm
: sai số chia của bộ chia áp mẫu.
* Nhận xét: Từ sơ đồ cấu trúc và biểu thức (2.2) có thể rút ra mấy nhận xét
sau:
- Ưu điểm:
+ Nguồn chuẩn mức xây dựng theo phơng pháp này có cấu trúc khá
đơn giản, vì vậy, việc thiết kế chế tạo sẽ dễ dàng.
+ Thời gian thiết lập điện áp ra U
ra
nhanh do U
m
chỉ phải qua bộ khuếch
đại, bộ chia điện áp mẫu rồi đa thẳng tới đầu ra.

15
- Nhợc điểm:
+ Độ ổn định kém, khi U
m
, K
kđ
, K
cm
hoặc dòng tải thay đổi đều gây ra
sai số của U
ra

.
* Kết luận: Mặc dù có cấu trúc đơn giản, khả năng thiết kế chế tạo dễ dàng
nhng vì những nhợc điểm trên nên phơng pháp này ít đợc sử dụng để
thiết kế chế tạo nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều có chất lợng cao.

2.2 nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều có cấu trúc
kín
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của nguồn chuẩn mức có cấu trúc mạch kín đợc
thể hiện ở hình 2.2











Hình 2.2. Nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều có cấu trúc kín
Trong sơ đồ hình 2.2: U
0
- nguồn điện áp mẫu; U
ht
- điện áp hồi tiếp.
Nguyên tắc hoạt động theo sơ đồ cấu trúc của nguồn chuẩn mức điện áp
xoay chiều có cấu trúc mạch kín có hồi tiếp cũng giống nh hoạt động của
nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều có cấu trúc mạch hở, chỉ khác là có
thêm mạch hồi tiếp để đa điện áp đầu ra trở lại so sánh với điện áp mẫu. Tín

hiệu mang thông tin về sự sai lệch giữa hai điện áp này từ đầu ra bộ so sánh sẽ
đợc đa đến điều khiển mạch dao động để cho điện áp ra luôn ổn định.

Bộ dao động

Bộ khuếch đại

Bộ chia điện
áp mẫu

Bộ so sánh
Bộ biến đổi
điện áp hồi
tiếp

Bộ chia điện
áp hồi tiếp
U
ht
U
o
U
k

16
Từ sơ đồ cấu trúc ta có thể xác định đợc điện áp hồi tiếp theo biểu
thức:

ht
ra

ht
K
U
U =

(2.3)
Trong đó: K
ht
= K
c
. K
bđ
K
c
: hệ số chia áp hồi tiếp
K
bđ
: hệ số biến đổi của bộ biến đổi điện áp hồi tiếp
Khi U
ht
= U
0
tức là điện áp ra bằng điện áp thiết lập thì từ biểu thức
(2.3) ta có biểu thức xác định điện áp ra:
U
ra
= K
ht
. U
0

(2.4)
Do đó sai số cơ bản thiết lập mức điện áp ra có thể tính theo biểu thức:


U
ra
=

U
0
+

K
ht

(2.5)
Trong đó:


U
0
- sai số của nguồn điện áp mẫu (điện áp chuẩn)


K
ht
- sai số hệ số truyền của mạch hồi tiếp
Từ biểu thức 2.5 ta nhận thấy để giảm sai số thiết lập mức điện áp ra

U

ra
, ta phải giảm sai số của điện áp mẫu

U
0
hoặc sai số hồi tiếp

K
ht
, hoặc
đồng thời cả hai.
Hoàn thiện U
0
bằng cách sử dụng những nguồn sức điện động mẫu có
độ chính xác cao.
Việc giảm nhỏ

K
ht
cũng có thể đợc thực hiện bằng phơng pháp thực
nghiệm để lấy đặc tuyến của từng khâu trong mạch hồi tiếp, hoặc toàn bộ các
khâu hồi tiếp, qua đó xác định đợc hệ số sửa cần thiết. Khi này tín hiệu sau
bộ biến đổi hồi tiếp sẽ đợc nhân thêm với một hệ số xác định (tùy thuộc vào
từng dải trong phạm vi biến đổi của điện áp hồi tiếp) trớc khi đa đến bộ so
sánh. Nếu số lợng điểm khảo sát để lấy đặc tuyến càng lớn thì

K
ht
càng nhỏ

17
(và có thể xấp xỉ bằng sai số của thiết bị mẫu dùng để thực nghiệm lấy đặc
tuyến khi số điểm khảo sát đủ lớn).
* Nhận xét: Từ sơ đồ cấu trúc và hoạt động của nguồn chuẩn có cấu trúc mạch
kín, có thể rút ra mấy nhận xét sau:
- Ưu điểm:
+ Độ ổn định của điện áp ra U
ra
cao, khả năng phối hợp tải tốt do có sử
dụng mạch phản hồi.
+ Sai số điện áp đầu ra có thể giảm nhỏ nhờ ứng dụng những kỹ thuật
mới (kỹ thuật số và vi xử lý).
- Nhợc điểm:
+ Sơ đồ cấu trúc phức tạp nên việc tính toán thiết kế chế tạo cũng khó
khăn, phức tạp hơn.
* Kết luận: Mặc dù có cấu trúc phức tạp song vì những u điểm nổi trội trên
nên phơng pháp này thờng đợc chọn để thiết kế chế tạo các nguồn chuẩn
mức điện áp xoay chiều có độ chính xác cao.
2.2.1 Chuẩn đa trị điện áp xoay chiều tần số cao
Một trong những u điểm của nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều có
cấu trúc mạch kín đó là có khả năng phối hợp tải tốt do có sử dụng mạch phản
hồi, đặc biệt là ở tần số cao. Do ở dải điện áp cao tần, bộ chia áp thờng là các
điện trở thuần cỡ nhỏ đợc đấu với nhau theo hình T hoặc hình

và cáp để
đa điện áp ra thông thờng phải có trở kháng 50

. Nếu không phối hợp trở
kháng tốt thì điện áp ra khó có thể đạt đợc độ chính xác cao. Để giải quyết
vấn đề này theo [19], [20] sơ đồ khối của chuẩn đa trị điện áp xoay chiều có

dạng nh hình 3.2
Cấu tạo của chuẩn đa trị kiểu này gồm: máy phát (G), bộ khuếch đại
điều chỉnh (ĐC - phần tử điều chỉnh); bộ khuếch đại điện áp vi sai (KĐ); điện
trở tải R
t
; cáp (K
C1
, K
C2
); các điốt tách sóng (D
1
, D
2
); chuyển mạch cao tần
(K); thiết bị đo điện dẫn (ĐD); điện trở mẫu R và tải giả (TG). Điện áp gốc

18
(mẫu so sánh) là điện áp xoay chiều ổn định U
0~
, mức điện áp ra ở điểm a là
U phụ thuộc vào giá trị điện áp U
0~
qua vòng điều khiển.

Hình 2.3. Chuẩn đa trị điện áp xoay chiều tần số cao
Trớc khi thiết bị đa ra giá trị điện áp cần thiết lập, vị trí của khoá (K)
ở phía dới và quá trình chuyển đổi các thông số về tải (R
t
) nhờ khối đo độ
điện dẫn (ĐD), thông số này của tải đợc chuyển thành thông số của tải giả
(TG) tơng đơng, nhờ đó làm thay đổi mức điện áp ra U tại điểm (a), do đó
kết quả cuối cùng là hiệu chỉnh đợc sai số do tải gây ra đối với bộ suy giảm
(SG) ở đầu ra của thiết bị. Chính phơng pháp này cũng làm giảm ảnh hởng
do cáp nối với tải (R
t
).
Khi

U

0 (hồi tiếp âm sâu, hệ số khuyếch đại đủ lớn), ta có:

( )
2D~01DTG1c2
K.U=KZ.K.R.K.U

(2.6)
G
ĐC
U
a
R
KĐ K
C2
TG
D
1
ĐD
U
t
SG
K
C1
R
t
_
U
D
2
U
0


K

b

19
Trong đó:
( )
TG1c2
Z.K.R.K
là hệ số truyền từ điểm a đến điểm b và
là hàm số của điện trở R, trở kháng Z
TG
của tải giả (TG) và đoạn cáp nối K
C2
.
Điện áp ra trên tải U
t
sẽ là:

( )
tSG1SGt
Z,R.K.K.U=U

(2.7)
Trong đó:
( )
tSG1
Z,R.K
là hệ số truyền của cáp K
C1
và là hàm số điện trở
đầu ra của bộ suy giảm R
SG

, tải Z
t
và tính chất của cáp nối K
C1
.
Để hệ số truyền của bộ suy giảm (SG) không phụ thuộc vào giá trị điện
trở tải Z
t
thì điều kiện sau đây phải đợc thoả mãn:
K
2
(R, K
C2
, Z
TG
) = K
1
.(R
SG
, Z
t
) (2.8)
Từ các biểu thức trên ta có:

~0
2D
1D
SGt
U
K

K
K=U

(2.9)
Để thực hiện điều kiện (2.8) chúng ta phải đa thêm vào cấu trúc của
chuẩn một đoạn cáp thứ hai K
C2
tơng tự nh K
C1
còn điện trở mẫu R có giá trị
bằng điện trở ra của bộ suy giảm R
SG
và thông số của tải giả phải thiết kế bằng
thông số của tải thật R
t
. (Nói một cách khác: khi thiết kế phải chú ý chọn dải
thay đổi của tải thật để chuyển thành thông số của tải giả, điều này trong thực
tế dễ thực hiện đợc).
Nh vậy, trong sơ đồ này giảm đợc ảnh hởng của trở kháng tải Z
t
tới
điện áp ra U
t
. Hệ số ổn định điện áp ra của thiết bị phụ thuộc vào bộ khuếch
đại KĐ, phần tử điều chỉnh ĐC và điốt tách sóng D
1
. Trong thực tế nếu chọn
D
1
và D

2
giống nhau thì đạt đợc độ ổn định và độ chính xác cao do hai tách
sóng cùng làm việc ở một điểm điện áp, mà điện áp này đủ lớn (khi chọn chế
độ trong thiết kế) để có độ chính xác cao nhất.
2.2.2 Chuẩn đa trị điện áp xoay chiều dùng tách sóng ổn định
Sai số chuẩn đa trị điện áp xoay chiều phụ thuộc rất lớn vào vào việc sử
dụng tách sóng trong của thiết bị ở dải tần số và dải điện áp rộng. Để nâng cao
độ chính xác của các chuẩn đa trị điện áp xoay chiều yêu cầu tách sóng phải

20
có độ chính xác cao trong dải điện áp rộng. Sơ đồ chuẩn đa trị điện áp xoay
chiều, theo [19], [20] đã đáp ứng đợc yêu cầu nêu trên, hình (2.4)

Hình 2.4 Chuẩn đa trị điện áp xoay chiều dùng tách sóng ổn định
a) Sơ đồ cấu trúc
b) Sơ đồ phần tử điều chỉnh ĐC
Sơ đồ chứa máy phát (G) có tần số

và điện áp ra U
G
(

); hai phần tử
điều chỉnh (ĐC
1
, ĐC
2
); khuếch đại xoay chiều (y
~
); suy giảm (SG); điều chế
G
U
G
()
ĐC
1
y
~
U
1

y
1
D
1
HPF

D
2
M
LPF
ĐC
2
SG
C

_
_
y
2
U
P
U
ra
U
0
a
b

(a)

Từ y
1
Từ (G)

Tới y
~
U
G
()
I
n0
+i
I
n0
-i
(b)

21
(M); hai tách sóng (D
1
, D
2
); hai khuếch đại một chiều (y
1
, y
2
); các bộ lọc
thông thấp (LPF) và bộ lọc cao tần (HPF); nguồn chuẩn mẫu (U
0
) và nguồn

chuẩn đa trị một chiều (U
P
). Phơng trình mô tả nguyên lý làm việc của sơ đồ
đợc biểu thị dới dạng:

K.KKK)K.K.
K
U
-K..KK.U(=U
SG~y2CĐ11D2CĐ
SG
ra
2DM2CĐPra

(2.10)
Trong đó: K
i
- Hệ số truyền của các khối tơng ứng với chỉ số i
K
ĐC1
, K
ĐC2
- Hệ số truyền của phần tử điều chỉnh ĐC1 và
ĐC2 tơng ứng
K
LPF
= K
HPF
=1
Từ công thức (2.10) ta có:

1~y1D1CĐ2CĐ
1SG~y2DM1CĐ2CĐ
Pra
K.K.K.K.K+1
K.K.K.K.K.K.K
.U=U
(2.11)

22DMP
2y0
2CĐ
K.K.K.U+1
KU
=K
(2.12)
Khi K
1

, biểu thức (3.11) có dạng:

1D
SG2DM
Pra
K
K.K.K
.U=U
(2.13)
Nh vậy, điện áp ra của chuẩn đa trị điện áp xoay chiều đợc xác định
bằng các thông số của khối điều chế K

M
, của bộ suy giảm đầu ra K
SG
và hai
tách sóng giống nhau K
D1
, K
D2
. Nhờ đó mà sai số điện áp ra sẽ nhỏ, vì hai tách
sóng giống nhau cùng làm việc trong những điều kiện nh nhau ở mức điện áp
đủ lớn và ổn định nhờ điện áp mẫu U
0
duy trì qua các mạch so sánh, khuếch
đại một chiều y
2
có hệ số khuếch đại lớn và phần tử điều chỉnh ĐC
2
.
Khi tính toán thiết kế thiết bị này, thực tế y
1
có hệ số khuếch đại hữu
hạn (K
1

), do vậy sai số của chuẩn đa trị điện áp xoay chiều phụ thuộc vào
sai số của tất cả các khối của sơ đồ. Vậy phải xét ảnh hởng của sai số từng
khối đến sai số tổng của chuẩn.

22
Giả sử, phần tử điều chỉnh đợc thiết kế trên cơ sở quang điện trở nh

sơ đồ hình (2.4b). Hệ số truyền đạt từ điểm ađến điểm b đợc xác định
bởi biểu thức, theo [15]:

)(U.)(K.K=K
Gqt1CĐ

(2.14)
Trong đó:
K
qt
- hệ số truyền đạt của quang trở

)(K - giá trị tuyệt đối hệ số chia của sơ đồ điều chỉnh bằng
quang trở.
Từ (2.13), (2.14) điện áp ra đợc xác định theo biểu thức:

() ()
()
()
~y1y1DGqt2CĐ
1ySG~y2DMGqt2CĐ
Pra
K.K.K.U.K.K.K+1
KKK.K.KU.K.K.K
U=U



(2.15)
Độ bất ổn định tơng đối điện áp ra do bất ổn định của các khối gây ra

đợc xác định theo biểu thức:


=
()
1y1D~yGqt
1K~y)(Kqt
SGD12DM
K.K.K).(U.K.K.K+1
++++
++-+
C2Đ
C2Đ
(2.16)
Phân tích biểu thức ra (2.15) và biểu thức sai số (2.16), ta nhận thấy độ
sâu của mạch hồi tiếp âm và độ ổn định của sơ đồ phụ thuộc vào tần số máy
phát

với đặc tuyến tần số của các khối K(

): K
y~
, K
ĐC1
, K
D1
. Tuy nhiên, độ
bất ổn định của các phần tử điều chỉnh ĐC
2
và y

2
không ảnh hởng đến độ
chính xác của sơ đồ, mà chỉ ảnh hởng rất nhỏ đến sự đồng bộ và mức điện
áp ở đầu vào của hai tách sóng D
1
, D
2
.
Từ các biểu thức và nhận xét trên ta có thể kết luận rằng sơ đồ chuẩn đa
trị điện áp xoay chiều dùng các tách sóng ổn định nêu trên có khả năng đảm
bảo độ chính xác cao và độ bất ổn định của điện áp thiết lập nhỏ trong dải
điện áp rộng. Tuy nhiên việc thiết kế nguồn chuẩn mức theo sơ đồ này khá
phức tạp do gặp khó khăn trong việc ổn định điểm làm việc của các tách sóng
và điều chỉnh hệ số hồi tiếp của khâu hồi tiếp.

23
Kết luận

Từ những phân tích hai cấu trúc có bản của nguồn chuẩn mức điện áp
xoay chiều cho phép rút ra nhnữg kết luận sau:
- Nguồn chuẩn mức có cấu trúc mạch hở mặc dù có thời gian có độ ổn
định điện áp ra không cao nhng đơn giản trong chế tạo. Trong trờng hợp
chất lợng của các linh kiện tốt (độ ổn định và chính xác cao) thì việc thiết kế,
chế tạo nguồn chuẩn mức theo cấu trúc này sẽ có lợi hơn.
- Nguồn chuẩn mức có cấu trúc mạch kín có độ ổn định, độ chính xác
thiết lập điện áp ra cao hơn so với nguồn chuẩn mức có cấu trúc mạch hở, tuy
nhiên việc thiết kế theo cấu trúc này cũng phức tạp và khó khăn hơn.
- Đối với nguồn chuẩn mức có cấu trúc mạch kín, chất lợng của nguồn
chuẩn mẫu U
0

đòi hỏi rất cao. Sự không ổn định của nguồn chuẩn mẫu sẽ làm
tăng đáng kể sai số thiết lập điện áp ra và trong nhiều trờng hợp không thể
thiết lập đuợc điện áp ra do nguồn chuẩn mức loại này hoạt động nh một hệ
thống điều khiển tự động (điều khiển theo sai lệch).
Tuy nhiên sự đòi hỏi khắt khe về chất kợng của nguồn chuẩn mẫu có
thể đợc giải quyết nếu ứng dụng kỹ thuật vi xử lý (VXL). Vì khi này, điện áp
chuẩn mẫu có thể đợc thiết lập dới dạng mã vì vậy sẽ có độ chính xác rất
cao. Ngoài ra nhờ VXL chúng ta có thể đa vào các hệ số sửa nhằm tuyến tính
hoá hệ số biến đổi của các khâu cơ bản trong cấu trúc của nguồn chuẩn mức.
Đây là một phơng án thích hợp để thiết kế chế tạo nguồn chuẩn mức điện áp
xoay chiều có chất lợng cao.







24
chơng 3
Tính toán, thiết kế nguồn chuẩn mức
điện áp xoay chiều
Trên cơ sở các kết quả phân tích các đặc trng kỹ thuật cũng nh các sơ đồ
cấu trúc của nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều cho cả hai nhóm cấu trúc hở
và cấu trúc kín, chơng này sẽ trình bày việc tính toán thiết kế một nguồn chuẩn
mức điện áp xoay chiều trên câu trúc kín có ứng dụng kỹ thuật VXL. Trình tự
tính toán, thiết kế một thiết bị đo nói chung và các khâu cơ bản nh khối nguồn,
bộ hiển thị, bộ biến đổi tuơng tự - số A/D, bộ biến đổi số - tơng tự D/A đã phổ
biến trong nhiều tài liệu, vì vậy chơng này sẽ không phân tích kỹ mà chỉ xem
xét sai số của nó trong điều kiện thiết kế cụ thể.

3.1 Các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của nguồn
chuẩn mức
- Công dụng: Dùng để kiểm tra các vôn mét điện tử có trở kháng vào lớn
hơn 100k
- Dạng điện áp ra : hình sin
- Dải điện áp ra: từ 1mV - 300V
- Tần số của điện áp ra: từ 45Hz - 1000Hz
- Sai số tần số: không vợt quá 3% giá trị đặt
- Hệ số méo phi tuyến của điện áp ra: không vợt quá 0,3%
- Sai số thiết lập điện áp ra không vợt quá 0,3% giá trị đặt
- Điều kiện làm việc:
+ Nhiệt độ: 20
0
C - 25
0
C
+ Độ ẩm: 80%


25
3.2 Sơ đồ cấu trúc v hoạt động theo sơ đồ cấu trúc
Sơ đồ cấu trúc của nguồn chuẩn mức đợc lựa chọn theo kiểu cấu trúc kín
có ứng dụng kỹ thuật VXL và đợc thể hiện ở hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc nguồn chuẩn mức điện xoay chiều

3.2.1Thành phần và nguyên tắc hoạt động theo sơ đồ cấu trúc:
Thành phần theo sơ đồ cấu trúc của nguồn chuẩn mức bao gồm các khối
sau:
- Bộ dao động âm tần DĐ
- Khối suy giảm tự động SGTĐ
- Khối khuếch đại công suất KĐCS
- Khối chuyển mạch rơle CMRL
- Bộ chia mẫu CM
- Chuyển mạch đầu ra CMĐR
- Khối tách sóng TS
- Khối AD

DĐ

SGTĐ KĐCS

CMRL

CM

CMĐR

TS

A/D

VXL

HTS
TMBP

Nguồn
U
ra