Tài liệu Giáo trình kỹ thuật đo lường P12 docx

GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in
1
C
C
H
H




N
N
G
G


1
1
2
2
.
.






O
O

T
T


N
N


S
S






(
(
2
2


L
L
T
T
)
)

12.1. Khái nim chung.
- Tn s (f: frequency): đc xác đnh bi s các chu k lp li ca s thay
đi tín hiu trong mt đn v thi gian. Tn s là mt trong các thông s quan
trng nht ca quá trình dao đng có chu k.
- Chu k (Time period, Time cycle): là khong thi gian nh nht mà giá tr
ca tín hiu lp li đ ln ca nó (tc là tho mãn phng trình u(t) = u(t + T) ).
Quan h gia tn s và chu k ca tín hiu dao đng là:
][
1
][
sT
Hzf =
- Tn s góc tc thi (): đc xác đnh nh là vi phân theo thi gian ca
góc pha ca tín hiu, tc là:
][)( grad
dt
d
t
ϕ
ω
=
Quan h gia tn s góc tc thi và tn s là:
)(.
2
1
)()(.2)( ttftft

ω
π
πω
=⇔=
vi f(t) là tn s tc thi.
i vi tín hiu dao đng điu hòa (tín hiu hình sin) vì có góc pha bin đi
theo thi gian theo quy lut tuyn tính nên tn s góc tc thi là mt hng s:
constdtdt
===
0
/)(
ωϕω

⇒ tn s f là mt đi lng không đi:
π
ω
ω
π
2
)(.
2
1
0
== tf

Khong tn s đc s dng trong các lnh vc khác nhau nh: vô tuyn đin
t, t đng hoá, vt lý thí nghim, thông tin liên lc...vi di tn t mt phn Hz
đn hàng nghìn GHz.
- Tn s k: là dng c đ đo tn s. Ngoài ra còn có th đo t s gia hai tn
s, tng ca hai tn s, khong thi gian, đ dài các xung...

- Các phng pháp đo tn s: vic la chn phng pháp đo tn s đc
xác đnh theo khong đo, theo đ chính xác yêu cu, theo dng đng cong và
công sut ngun tín hiu có tn s cn đo và mt s yu t khác.
 đo tn s ca tín hiu đin có hai phng pháp: phng pháp bin đi thng
và phng pháp so sánh:
a) o tn s bng phng pháp bin đi thng: đc tin hành bng các loi
tn s k cng hng, tn s k c đin, tn s k t đin, tn s k ch th s:
̇ Các tn s k c đin tng t (tn s k đin t, đin đng, st đin
đng): đc s dng đ đo tn s trong khong t 20Hz ÷ 2,5kHz trong các
mch ngun vi cp chính xác không cao (cp chính xác 0,2; 0,5; 1,5; 2,5).
GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in
2
Các loi tn s k này nói chung hn ch s dng vì tiêu th công sut khá
ln và b rung.
̇ Các tn s k đin dung tng t: đ đo tn s trong di tn t 10Hz ÷
500kHz, đc s dng khi hiu chnh, lp ráp các thit b ghi âm và rađiô
v.v...
̇ Tn s k ch th s: đc s dng đ đo chính xác tn s ca tín hiu
xung và tín hiu đa hài trong di tn t 10Hz ÷50GHz. Còn s dng đ đo t
s các tn s, chu k, đ dài các xung, khong thi gian.
b) o tn s bng phng pháp so sánh: đc thc hin nh ôxilôscôp, cu
xoay chiu ph thuc tn s, tn s k đi tn, tn s k cng hng...:
̇ S dng ôxilôscôp: đc thc hin bng cách đc trc tip trên màn hình
hoc so sánh tn s cn đo vi tn s ca mt máy phát chun n đnh (da
trên đng cong Lítsazua). Phng pháp này dùng đ đo tn s các tín hiu
xoay chiu hoc tín hiu xung trong di tn t 10Hz đn 20MHz.
̇ Tn s k trn tn: s dng đ đo tn s ca các tín hiu xoay chiu, tín
hiu điu ch biên đ trong khong t 100kHz ÷20GHz trong k thut vô
tuyn đin t.

̇ Cu xoay chiu ph thuc tn s: đ đo tn s trong khong t 20Hz -
20kHz.
̇ Tn s k cng hng: đ đo tn s xoay chiu tn s tín hiu điu ch
biên đ, điu ch xung trong khong t 50kHz ÷ 10GHz; thng s dng
khi lp thit b thu phát vô tuyn.
Trong nhng nm gn đây tn s k ch th s đc s dng rng rãi và còn
cài đt thêm µP đ điu khin và s dng kt qu đo na...
Di đây s tin hành xét mt s phng pháp và dng c đo tn s ph bin
nht, bao gm:
̇ o tn s bng phng pháp cng hng
̇ Tn s k đin t
̇ Cu đo tn s
̇ Tn s k ch th s
12.2. o tn s bng phng pháp cng hng.
12.2.1. Tn s k cng hng đin t:
Là dng c đo theo phng pháp bin đi thng. Thng đc s dng đ đo
tn s ca li đin công nghip.
Cu to ca tn s k cng hng đin t nh hình 12.1, bao gm 2 phn
chính: mt nam châm đin và các thanh thép. Các thanh thép đc gn cht mt
đu, còn đu kia dao đng t do, mi thanh có tn s riêng bng hai ln tn s
ca ngun đin cn đo và tn s riêng ca mi thanh khác nhau.
Nguyên lý hot đng ca tn s k đin t: di tác dng ca t trng nam
châm đin trong mt chu k ca tín hiu cn đo các thanh kim loi s đc hút
vào nam châm hai ln và do đó dao đng. Thanh nào có biên đ dao đng ln
nht thì thanh đó có tn s riêng bng hai ln tn s cn đo. Trên mt dng c đo
(H .12.1b) ta thy biên đ dao đng ca thanh kim loi ln nht ng vi tn s đã
GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in
3
khc đ trên mt s.

Hình 12.1. Tn s k cng hng đin t:
a) Cu to ; b) Mt ch th
u đim: cu to đn gin, bn.
Nhc đim: gii hn đo hp (45 ÷ 55Hz) hoc (450 ÷ 550Hz); sai s ca
phép đo thng là ± (1,5 ÷ 2,5)%; không s dng đc  ni có đ rung ln và
thit b di chuyn.
12.2.2. Tn s k cng hng đin:
Là dng c đo theo phng pháp so sánh. Tn s k s dng hin tng cng
hng đin là mt h thng dao đng đc điu chnh cng hng vi tn s cn
đo ca ngun tín hiu. S đ khi nguyên lý nh hình 12.2:

Hình 12.2. S đ khi nguyên lý ca tn s k cng hng đin
Trng thái dao đng đc phát hin theo s ch cao nht ca b ch th cng
hng t l vi dòng áp (hay áp) trong h thng dao đng. Tn s cn đo đc
khc đ ngay trên núm vn ca thit b dò tìm dao đng hoc s dng bng s
hay đ th. B vào đ hoà hp gia tn s k và ngun tín hiu cn đo.
Ví d: tn s có cha h thng dao đng s dng t xoay đ tìm dao đng có
th đo tn s đn 200MHz.
Phng pháp cng hng đn gin, tin li; cp chính xác có th đt ti
0,1%.
12.3. Tn s k đin t.
12.3.1. Tn s k đin dung dùng đi ni đin t:
Là dng c đo theo phng pháp bin đi thng.
Nguyên lý hot đng: da trên vic thc hin vic đo giá tr trung bình ca
dòng phóng I ca t đin khi t đin này phóng np có chu k cùng nhp vi tn
s cn đo f
X
. S đ nguyên lý nh hình 12.3.
Khi khóa K  v trí (1) thì t đin C đc np t ngun E qua R

1
đn đin áp
U
1
(thng đin tr R
1
và t C đc chn sao cho hng s thi gian np R
1
C đm
bo cho t C np đy). Sau đó khi khóa K  v trí (2) thì t C s phóng qua R
2
,
qua c cu ch th t đin đn đin áp U
2
.
Khi np đin, đin tích np ca t C là:
1
.UCq
n
=
sau khi phóng, đin tích còn li trên t C là:
2
.UCq
cl
=
suy ra lng đin tích phóng qua c cu ch th trong mt chu k ca khóa K là:
GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in
4
).(

21
UUCq
−=
Tc là trong mt chu k đin tích qua c cu ch th là q, nh vy nu công tc K
đi ni f
X
ln trong mt giây (tng ng vi f
X
chu k ca khóa K) thì giá tr
trung bình ca dòng phóng I ca t qua c cu ch th (đc tính bng lng đin
tích đi qua c cu ch th trong mt giây) là:
XX
fUUCfqI )..(.
21
−==

suy ra:
).(
21
UUC
I
f
X
−
=

tc là tn s cn đo f
X
t l thun vi dòng chy qua dng c đo I, nh vy đo I có
th suy ra f

X
.
Nu t C và U
1
, U
2
là các đi lng không đi thì bng khc đ ca c cu ch
th t đin có th khc trc tip theo đn v tn s.
Theo nguyên tc này tn s k đin dung đc thc hin nh b đi ni đin
t (đi ni K) vi tn s đi ni là f
X
ca đin áp điu khin nó.

Hình 12.3. S đ nguyên lý ca tn s k đin dung dùng đi ni đin t
c tính tuyn tính gia I và f
X
ch có th đm bo đc nu điu kin:
constUUCq
=−= ).(
21

vì vy trong mch ca tn s k b trí hn ch sao cho đin áp U
1
khi t np và
U
2
khi t phóng đu nm trong khong ng vi di tn s cn đo.
 m rng thang đo tn s thì phi đm bo hng s thi gian np và phóng
ca t đin s nh hn na chu k ca tn s cao nht. iu này đt đc bng
cách thay đi đin dung ca t đin (ví d: s dng mt b t đin), còn đin tr

ca mch np R
1
và phóng R
2
luôn không đi.
Gii hn trên ca tn s cn đo: (ng vi giá tr nh nht ca t C) đc xác
đnh bi đ nhy ca c cu ch th và tn s đóng ct gii hn ca b đi ni K,
vi đi ni s dng rle c khí thng đt đc tn s ti hn 1kHz, mun đt
tn s cao hn phi s dng các b đi ni là rle đin t.
Gii hn di ca tn s đo: đc xác đnh bi tn s mà  đó xut hin dao
đng c khí ca kim ca c cu ch th (khong 10Hz).
Sai s ca dng c đo loi này thng do: sai s ca c cu ch th, do ngun
cp E không n đnh, do t C không n đnh và đc khc đ không đúng…
Ví d: tn s k đin dung loi
υ
3-7 đc s dng đ đo tn s tín hiu hình
sin t 10Hz
÷
500kHz vi sai s c bn là
±
2%, đin áp vào 0,5V
±
500V, đin
tr vào hn 500k
Ω
, đin dung  đu vào không quá 15pF.
12.3.2. Tn s k đin dung dùng chnh lu:
Là dng c đo theo phng pháp bin đi thng.
GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S
GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in

5
Nguyên lý hot đng: nh mch to xung mà đin áp có tn s cn đo f
X

đc bin thành xung vuông, trong khong thi gian có xung t C đc np qua
đit D
1
, trong khong thi gian không có xung t phóng qua D
2
và c cu ch th
t đin. S đ nguyên lý nh hình 12.4:

Hình 12.4. S đ nguyên lý ca tn s k đin dung dùng chnh lu
Góc lch α ca c cu ch th s t l vi dòng đin trung bình:
( )
XmIXII
fUCSfqSIS ...... ===
α

Mt khác dòng trung bình I li t l thun vi tn s cn đo f
x
do vy góc lch α t
l thun vi tn s cn đo f
x
vi điu kin đ nhy ca c cu ch th S
I
, t C và
biên đ xung U
m
không đi.

u đim: tn s k đin dung dùng chnh lu có u đim là có kh nng đo
trc tip  di tn s rng.
Ví d : Tn s k
Φ
433/3 cp chính xác 1,5; khong đo t 0,1Hz
÷
1000kHz.
12.4. Cu đo tn s.
 đo tn s, có th dùng các cu đo mà điu kin cân bng ca cu ph thuc
vào tn s ca ngun dòng đin cung cp.
Ví d hình 12.5 là s đ mt mch cu đn gin có mt nhánh là mch cng
hng:
Bé chØ thÞ
c©n b»ng
R
4
1
R
2
R
3
R
C
L
x
U
fx

Hình 12.5. Mch cu đn gin đo tn s
iu kin cân bng ca cu này là:

4231
.. RRZR
=
vi:
)
1
(
33
C
LjRZ
ω
ω
−+=
nh vy nu điu chnh các thông s ca nhánh sao cho nhánh Z
3
cng hng 
tn s f
x
cn đo thì ta có:
33
1
RZ
C
L
x
x
=⇒=
ω
ω

và điu kin cân bng ca cu tr thành: