Đo lường điện - Bài 10: Đo tham số mạch

© Mai Quốc Khánh - 04/2010 1/33 Bài 10 §o tham sè m¹ch Mai Quốc Khánh Khoa Vô tuyến điện tử Học viện KTQS Môn học: Đo lường điện Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 2/33 Nội dung  Khái niệm chung về đo tham số mạch  Các phương pháp đo tham số mạch: Các phương pháp theo định luật ôm Phương pháp cầu Phương pháp cộng hưởng Phương pháp hiện số Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 3/33 Phần I Khái niệm chung  Phân loại các phương pháp đo tham số mạch  Mẫu điện trở, điện dung và điện cảm Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 4/33 Các tham số mạch  Các tham số mạch cơ bản: Điện trở (R) Điện cảm (L) Điện dung (C) Góc tổn hao của tụ điện (tgδ) Hệ số phẩm chất cuộn cảm (Q) Tham số của các linh kiện: điốt, transistor, vi mạch  Tùy thuộc vào các phương pháp đo được sử dụng, các đại lượng trên được xác định với phạm vi đo khác nhau, độ chính xác khác nhau Electronic Components Bộ m ô LT M -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 5/33 Phân loại các phương pháp đo tham số mạch §o tham sè m¹ch PhÐp ®o gi¸n tiÕpPhÐp ®o trùc tiÕp PP ®¸nh gi¸ trùc tiÕp PP so s¸nh PP V«n-Ampe PP dïng ampemet - v«nmÐt - o¸t mÐt ¤m mÐt tõ ®iÖn Logo mÐt CÇu ®o TB bï PP céng h­ëng Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 6/33 Phân loại các phương pháp đo tham số mạch  Phương pháp đo tham số mạch rất đa dạng  chỉ xét những phương pháp cơ bản: Nhóm phương pháp theo định luật ôm Phương pháp cầu Phương pháp cộng hưởng Phương pháp hiện số Bộ m ô L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 7/33 Mẫu điện trở, điện dung và điện cảm  Mẫu điện trở: Bộ các cuộn điện trở đơn trị hoặc các đề các điện trở nối tiếp có giá trị danh định xếp thành dãy theo bậc 10n Vật liệu thường dùng để tạo mẫu điện trở là các vật liệu có hệ số nhiệt nhỏ (VD: manganin - hợp kim Cu, Mn, Si và constantan - hợp kim Cu và Ni). Resistance Box (2)Resistance Box (1) Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 8/33 Mẫu điện trở, điện dung và điện cảm  Mẫu điện dung Tụ điện có điện dung không đổi và thay đổi (dưới dạng tụ xoay) và đề các Yêu cầu mẫu điện dung phải có điện trở và điện cảm bản thân nhỏ Chất lượng của mẫu điện dung phụ thuộc vào góc tổn hao δ (tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt trên điện trở bản thân)  Mẫu điện cảm Hộp điện cảm mẫu đơn trị và đa trị dưới dạng đề các Chất lượng của cuộn cảm được đặc trưng bởi hệ số phẩm chất Q Capacitance Box (1) Capacitance Box (2) Bộ ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 9/33 Phương pháp vôn ampe ' v xR A x x A A A U UUR R R I I + = = = + δ =PP A x R R ' 1x V V x x xA R V V U U RR RI I I R = = = + + E RxV A UV UA URX RA  Sai số phương pháp E RxV A UV RA IA IV IRX δ −= + x PP x V R R R  Sai số phương pháp Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 10/33 Phương pháp vôn ampe  Sai số của phép đo điện trở bằng phương pháp V-A Sai số của vôn mét Sai số của ampemét Sai số phương pháp  Cách giảm sai số phương pháp: Chọn vôn mét có điện trở vào lớn, ampe mét có điện trở trong nhỏ Chọn mạch đo thích hợp  Để đo điện dung, điện cảm bằng phương pháp V-A Cấp nguồn nuôi xoay chiều cho phần tử cần đo Dùng vôn mét và ampe mét xoay chiềuBộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 11/33 Phương pháp cầu  CÇu c©n b»ng kiÓu 4 nh¸nh  CÇu sÏ c©n b»ng khi ®iÖn ¸p trªn ®­êng chÐo chØ thÞ b»ng 0 1 3 2 4. .Z Z Z Z=     Tæng qu¸t 31 2 41 3 2 4. . jj j jZ e Z e Z e Z eϕϕ ϕ ϕ= hay lµ 1 3 2 4 1 3 2 4 . .Z Z Z Z ϕ ϕ ϕ ϕ = + = + LCR-Digibridge Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 12/33 Phương pháp cầu  Dùa vµo ®iÒu kiÖn c©n b»ng cÇu, ta cã: 1 3 4 4 1 3 4 1 3 4 1. ( ). 1 . . ω ω ω ω = + + + = + x x x x R R R j L j C R R R j C R R R j L R 1 3 4 1 3 4 . . . = = x x R L R R R R R C CÇu ®o ®iÖn c¶m “cÇu tÝch sè” Rx Lx  Do vËy: Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 13/33 Phương pháp cầu  Dùa vµo ®iÒu kiÖn c©n b»ng cÇu, ta cã:  Do vËy: 1 3 2 3 1 2 1 3 2 3 1 1. . . . x x x x R R R R j C j C R RR R R R j C j C ω ω ω ω     + = +        + = + 1 3 2 2 3 1 . . = = x x R C R R R R C R CÇu ®o ®iÖn dung “cÇu tØ sè” Gãc tæn hao cña tô ®iÖn 3 3ω ωδ = =xR Cx Rt Cg Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 14/33 Phương pháp cầu  M¹ch cÇu ch÷ “T” c©n b»ng sö dông trong thùc tÕ Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 15/33 Phương pháp cầu  CÇn ®¶m b¶o ®iÖn ¸p cÊp cho cÇu ph¶i lµ ®iÖn ¸p ®iÒu hoµ  Bé phËn chØ thÞ cña cÇu:  Tai nghe  V«n mÐt t¸ch sãng  èng tia ®iÖn tö  Th­êng dïng bé K§ chän läc tÇn sè ë m¹ch chØ thÞ ®Ó gi¶m ¶nh h­ëng cña c¸c ph©n l­îng hµi  §Æc ®iÓm chung cña ph­¬ng ph¸p cÇu:  Th­êng dïng ®Ó ®o ë tÇn sè thÊp (vµi KHz), mét sè cã thÓ dïng víi tÇn sè cao h¬n (h¬n 30 MHz) nh­ng yªu cÇu thiÕt kÕ ®Æc biÖt)  Sai số kho¶ng 1 – 5% Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 16/33 Ph­¬ng ph¸p céng h­ëng  §o ®iÖn dung b»ng ph­¬ng ph¸p céng h­ëng  §o ®iÖn c¶m b»ng ph­¬ng ph¸p céng h­ëng  §o ®iÖn trë m¹ch céng h­ëng  §o hÖ sè phÈm chÊt cña m¹ch céng h­ëng Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 17/33 Ph­¬ng ph¸p céng h­ëng ®o ®iÖn dung  Nguyªn t¾c: dùa trªn hiÖn t­îng céng h­ëng cña m¹ch ®iÖn cã phÇn tö ®iÖn dung vµ ®iÖn c¶m TÇn sè céng h­ëng của m¹ch: Do vËy: 1 2o x f LCπ = [ ] [ ] [ ] 2 2 0 1 4 víi vµ x o C F f L f Hz L H π = Thùc tÕ, sö dông c«ng thøc: [ ] [ ] [ ] 4 02 2,53.10 víi vµ x o C pF f MHz L H f L µ= Bộ dao động L C x M Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 18/33 Ph­¬ng ph¸p céng h­ëng ®o ®iÖn dung  Sai số của phương pháp cộng hưởng:  Do điện dung ký sinh của cuộn cảm L và dây nối  Do sự bất ổn định của tần số bộ dao dộng cao tần  Do sai số của điện cảm mẫu L  Do xác định sai điểm cộng hưởng Khắc phục: đo từ 2 phía điểm cộng hưởng Khắc phục: phương pháp thế Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 19/33 Ph­¬ng ph¸p céng h­ëng ®o ®iÖn dung  Phương pháp thế khắc phục ảnh hưởng của điện dung ký sinh của cuộn cảm S¬ ®å ph­¬ng ph¸p thÕ sö dông khi Cx < Cm-max Bộ dao động L CmC x Cks Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 20/33 Ph­¬ng ph¸p céng h­ëng ®o ®iÖn dung 1. B­íc 1: m¾c ®iÖn dung mÉu Cm, ®iÒu chØnh tÇn sè cña bé t¹o dao ®éng ®Ó ®¹t céng h­ëng. Khi ®ã, ®iÖn dung toµn m¹ch céng h­ëng: CΣ = Cm1 + Cks Cks - ®iÖn dung ký sinh Bộ dao động L Cm C x 2. B­íc 2: gi÷ nguyªn tÇn sè dao ®éng, m¾c Cx song song víi Cm råi ®iÒu chØnh Cm sao cho ®¹t céng h­ëng: CΣ = Cm2 + Cx + Cks  KÕt qu¶, Cx kh«ng phô thuéc vµo ®iÖn dung ký sinh Cx = Cm1 - Cm2  Hai b­íc tiÕn hµnh phÐp ®o Ck s Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 21/33 Ph­¬ng ph¸p céng h­ëng ®o ®iÖn dung  S¬ ®å sö dông khi ®o ®iÖn dung cã trÞ sè lín  B­íc 1 : ch­a m¾c Cx vµo m¹ch CΣ = Cm1 + Cks  B­íc 2: m¾c Cx vµo m¹ch KÕt qu¶ 2 2 x m ks m x C CC C C CΣ = + + 12 21. mm mm x CC CCC − = Bộ dao động L Cm C x Cks Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 22/33 Ph­¬ng ph¸p céng h­ëng ®o ®iÖn c¶m  T­¬ng tù nh­ ph­¬ng ph¸p ®o ®iÖn dung b»ng ph­¬ng ph¸p céng h­ëng M¹ch céng h­ëng ë tÇn sè: Do vËy: 1 2π =o x m f L C [ ] [ ] [ ] 2 2 0 1 4 víi vµ x o m L H f C f Hz C F π = Thùc tÕ, sö dông c«ng thøc: [ ] [ ] [ ] 4 02 2,53.10 víi vµ x o m L H f MHz C pF f C µ= Bộ dao động LX Cm M Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 23/33 Ph­¬ng ph¸p céng h­ëng ®o ®iÖn c¶m  T­¬ng tù, ®iÖn c¶m còng sö dông ph­¬ng ph¸p thÕ ®Ó lo¹i trõ ¶nh h­ëng cña ®iÖn dung ký sinh  NÕu ®iÖn dung ký sinh nhá h¬n nhiÒu lÇn c¸c trÞ sè Cm1, Cm2 cña ®iÖn dung mÉu: tõ ®ã 21 11 mmmx o CLCL ==ω 1 2 m m mx C CLL =Bộ m ô L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 24/33 §o ®iÖn trë m¹ch céng h­ëng  Ph­¬ng ph¸p thay ®æi ®iÖn dung 2 2 1ch m I R I R L C ω ω =   + −     Tû sè dßng ®iÖn hiÖu dông cña m¹ch víi trÞ sè hiÖu dông cña dßng ®iÖn khi cã céng h­ëng  Khi cã céng h­ëng Rx 1 m L C ω ω = Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 25/33 §o ®iÖn trë m¹ch céng h­ëng 1 2 0 1 . 2 m m x m C CR C C − = Th«ng qua tÝnh to¸n gÇn ®óng  Cm1 vµ Cm2 lµ trÞ sè ®iÖn dung mÉu ë hai phÝa cña C0, øng víi 1 0,707 2ch I I = = Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 26/33 §o ®iÖn trë m¹ch céng h­ëng 1 0,707 2ch I I = = 2 1 2 0. 2ω ω ω=  Ph­¬ng ph¸p thay ®æi tÇn sè: cã thÓ ®¹t ®­îc ®iÒu kiÖn b»ng c¸ch biÕn ®æi tÇn sè cña bé t¹o dao ®éng  Thùc hiÖn tÝnh to¸n gÇn ®óng: ta cã: 1 2 0 1 . 2x R C ω ω ω − = Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 27/33 §o hÖ sè phÈm chÊt . L LQ R ω = 2 1.U QU=  HÖ sè phÈm chÊt cña cuén d©y  Khi m¹ch céng h­ëng  §iÖn ¸p cao tÇn 1 . mU I R=  ChÕ t¹o Q-mÐt LCR-Q MeterQ Meter Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 28/33 §o hÖ sè phÈm chÊt  Sai sè cña Q-mÐt  Sai sè do kh«ng æn ®Þnh tÇn sè cña bé dao ®éng  Sai sè cña ®ång hå ®o dßng ®iÖn vµ v«n mÐt ®iÖn tö  Sai sè kh¾c ®é tô ®iÖn mÉu Cm  Sai sè do c¸c th«ng sè ®iÖn dung vµ ®iÖn c¶m ký sinh cña d©y nèi  øng dông cña Q-mÐt  §o hÖ sè phÈm chÊt cña cuén d©y  §o ®iÖn c¶m, ®iÖn dung, tæn hao Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 29/33 §o tham sè m¹ch dïng ph­¬ng ph¸p hiÖn sè  Nguyªn t¾c chung: biÕn ®æi c¸c tham sè m¹ch vÒ d¹ng sè th«ng qua c¸c ®¹i l­îng trung gian (®iÖn ¸p, tÇn sè, thêi gian) nhê c¸c kh©u biÕn ®æi th¼ng hay t¹o ra c¸c ®¹i l­îng mÉu thay ®æi theo mét quy luËt nµo ®ã, so s¸nh víi c¸c ®¹i l­îng cÇn ®o trong c¸c m¹ch biÕn ®æi c©n b»ng.  C¸c lo¹i m¸y ®o hiÖn sè:  M¸y ®o ®iÖn trë vµ ®iÖn dung b»ng ph­¬ng ph¸p hiÖn sè  CÇu ®o ®iÖn trë hiÖn sèBộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 30/33 M¸y ®o ®iÖn trë vµ ®iÖn dung b»ng ph­¬ng ph¸p hiÖn sè CM 1 2 Cx Rm So s¸nh K TXC B§X HTS §iÖn ¸p mÉu U0 U0/e §iÒu khiÓn t1 t2 U0/e U t U0 Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 31/33 M¸y ®o ®iÖn trë vµ ®iÖn dung b»ng ph­¬ng ph¸p hiÖn sè  Trước khi đo  B§K chuyÓn CM1 vµ xo¸ B§X;  Cx nạp tới điện ¸p U0 của nguồn ®iÖn ¸p mÉu  T¹i t = t1  B§K chuyÓn CM2, më K B§X b¾t ®Çu ®Õm xung  Cx phãng qua Rm, ®iÖn ¸p trªn Cx gi¶m dÇn theo qui luËt . 0 m x t R C CU U e − = CL Handheld Meter Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 32/33 M¸y ®o ®iÖn trë vµ ®iÖn dung b»ng ph­¬ng ph¸p hiÖn sè  Tại t = t2, có  Bộ SS tạo ra tín hiệu đóng khoá K, kết thúc qúa trình đếm xung số xung đếm được Nếu thay Rx = Rm và Cm = Cx  có máy đo điện dung 0 C UU e = . . 10 0 2 1 . p x m x m TTp R C R C p x m P UU e e e T R C e T t t − − −= = =⇔ ⇔ = −víi 0 0 0 . .p mx x m x x x T CN R C f R N R T T = = = ⇔  LCR-MeterMáy đo điện dung-điện cảm Bộ m ôn L TM -Đ L © Mai Quốc Khánh - 04/2010 33/33 VÀ CUỐI CÙNG LÀ ...  CẢM ƠN Bộ m ôn L TM -Đ L