Đo lường điện - Bài 3: Cơ sở kỹ thuật đo lường số

â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 1/42 Bài 3 Cơ sở kỹ thuật đo lường số Mai Quốc Khỏnh Khoa Vụ tuyến điện tử Học viện KTQS Mụn học: Đo lường điện Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 2/42 Nội dung 1. Khỏi niệm cơ bản trong kỹ thuật đo lường số 2. Sơ đồ chức năng và cỏc khối chức năng cơ bản của mỏy đo lường số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 3/42 Yờu cầu với kỹ thuật đo lường hiện đại  Số đại lượng đo tăng nhanh  Cần đo nhiều đại lượng đồng thời  Thông tin đo và cần xử lý lớn  Cần lưu giữ và truyền đi xa Kỹ thuật đo lường số cú thể đỏp ứng những yờu cầu trờn (trong khi kỹ thuật đo lường tương tự khụng đỏp ứng được) Vớ dụ 1: Một hệ thống thụng tin đo lường nhiều kờnh (1) – (2) – (3)Bộ m ụ L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 4/42 Ưu điểm của kỹ thuật đo lường số  ĐCX cao  Độ nhạy lớn  Không có sai số do người đo  Tốc độ đo cao  Tự động hoá hoàn toàn quá trình đo  Kết quả đo dạng số phù hợp với truyền đi xa, lưu giữ, xử lý tiếp Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 5/42 Phần I Những khỏi niệm cơ bản trong kỹ thuật đo lường số 1. Hệ đếm và mó dựng trong kỹ thuật đo lường số 2. Mỏy đo lường số và quỏ trỡnh số hoỏ 3. Sai số của mỏy đo lường số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 6/42 Hệ đếm và mó dựng trong kỹ thuật đo lường số  Hệ đếm: tập hợp các ký hiệu ở dạng chữ số để biểu diễn thông tin số lượng.  Phân loại: Hệ đếm không vị trí: trị số của ký hiệu không phụ thuộc vị trí Hệ đếm vị trí: trị số của ký hiệu phụ thuộc vị trí của nó  Cỏc hệ đếm thụng dụng: Hệ đếm 1 (1) không vị trí  VD: số 5 N(1) = 11111 Hệ đếm 2 (0 và 1) vị trí Hệ đếm 10 (0, 1, 2,....,9) vị tríBộ m ụ LT M -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 7/42 Hệ đếm và mó dựng trong kỹ thuật đo lường số -1 -2 0 1 -1 1 1 ... 0 ( -1) m m m i m m i i i N h N a h a h a h a h v h i m a h − = = + + + =∑ Biểu diễn một số bất kỳ trong hệ đếm ới - hệ đếm - thứ tự hàng - thứ tự hàng lớn nhất nhận các giá trị từ đến Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 8/42 Hệ đếm và mó dựng trong kỹ thuật đo lường số  Mó: lượng thụng tin được biểu diễn trong một hệ đếm theo một qui luật nhất định  Cỏc mó thường dựng trong KTĐLS:  Mó 1  Mó 2  Mó 10  Mó 2-10  Mó Gray 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 Tạo mó Gray từ mó 2 Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 9/42 Mó 2, mó 10 và mó Gray Mó 10 Mó 2 Mó Gray 0 0000 0000 1 0001 0001 2 0010 0011 3 0011 0010 4 0100 0110 5 0101 0111 6 0110 0101 7 0111 0100 8 1000 1100 9 1001 1101 Đĩa mó dựng để đo gúc Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 10/42 Mỏy đo lường số và quỏ trỡnh số hoỏ  Mỏy đo lường số: mỏy đo tự động đưa ra cỏc tớn hiệu rời rạc về thụng tin đo lường và giỏ trị của thụng tin đo lường được biểu diễn dưới dạng số  Quỏ trỡnh số hoỏ thụng tin đo lường bao gồm: Rời rạc hoỏ: biến đổi thụng tin liờn tục thành đại lượng rời rạc Mó hoỏ: biểu diễn đại lượng rời rạc dưới dạng mó  Quỏ trỡnh rời rạc hoỏ cú thể là: Lượng tử hoỏ theo giỏ trị Rời rạc hoỏ theo thời gianBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 11/42 Lượng tử hoỏ theo giỏ trị Xi X2 X1 t X(t) Xn ∆Xk ( ) . 1, 2,.... ∆ = ∆ = được thay bằng các giá trị cách nhau một bước lượng tử (với ) k n k X t X X n X n Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 12/42 Rời rạc hoỏ theo thời gian Xi X2 X1 t1 t X(t) t2 ti Xn tn 1 2 1 ( ) , , ..., − ∆ ∆ = − được thay bằng các giá trị ứng với các thời điểm cách nhau một bước gián đoạn n i i X t X X X t t t t ∆t Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 13/42 Sai số của mỏy đo lường số  Sai số của MĐLS phụ thuộc: Sai số của cỏc bộ phận Mối liờn hệ giữa cỏc bộ phận  Sai số đặc trưng cho mỏy đo lường số là sai số lượng tử gõy ra do quỏ trỡnh rời rạc hoỏ làm mất thụng tin  Sai số lượng tử bao gồm: Sai số khi lượng tử hoỏ theo giỏ trị Sai số khi lượng tử hoỏ một khoảng thời gianBộ m ụn LT M -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 14/42 Sai số khi lượng tử hoỏ giỏ trị Xi X0 Xi-1 t0 t X(t) 0 0 max Sai số lượng tử tuyệt đối gặp phải khi đo đại lượng : Trị số lớn nhất của sai số lượng tử: Sai số lượng tử tương đối: .100 % Sai số lượng tử tương i k X X X X X X X X σ ∆ = − ∆ = ∆ ∆ = ±    max ax đối cực đại: .100 % .100 % . 1 .100 % Để giảm sai số lượng tử cần có lớn, hay cần giảm độ lớn của bước lượng tử m k k k X X X N X N N X σ ∆ = ±    ∆ = ±   ∆ = ±    ∆ ∆Xk Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 15/42 Sai số khi lượng tử hoỏ một khoảng thời gian  Thụng thường, lượng tử hoỏ một khoảng thời gian Tx là làm đầy khoảng thời gian đú bằng dóy xung cú chu kỳ biết trước T0 Xung KĐ Xung Tắt ∆t1 ∆t2 T0 TN TX  Để giảm sai số lượng tử khi lượng tử hoỏ một khoảng thời gian, cần tăng số bước lượng tử, tức là tăng tần số f0=1/T0 của dóy xung dựng để lượng tử hoỏ Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 16/42 Phần II Sơ đồ chức năng và cỏc khối chức năng cơ bản của MĐLS 1. Sơ đồ cấu trỳc của phương tiện đo số 2. Bộ biến đổi tương tự-tương tự 3. Bộ biến đổi tương tự-số 4. Bộ biến đổi số-tương tự 5. Bộ biến đổi mó-mó 6. Hiển thị trong kỹ thuật đo lường số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 17/42 Sơ đồ cấu trỳc của phương tiện đo số Sơ đồ biến đổi thẳng và sơ đồ biến đổi cõn bằng Biến đổi TT-TT Biến đổi TT-S Biến đổi Mó Hiển thị số X Y N Biến đổi TT-TT Biến đổi TT-S Biến đổi Mó Hiển thị số ∆X Y N Biến đổi S-TT X X’ Bộ m ụn LT -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 18/42 Bộ biến đổi tương tự-tương tự  Biến đổi cỏc đại lượng tương tự (khú xử lý số trực tiếp) về cỏc đại lượng tương tự khỏc (thuận tiện cho quỏ trỡnh xử lý số tiếp theo)  Đầu vào là một đại lượng tương tự, đầu ra cũng là một đại lượng tương tự khỏc  BBĐTT-TT rất đa dạng, sau đõy xột một vớ dụ: Bộ biến đổi điện ỏp-tần số Bộ m ụ L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 19/42 Bộ biến đổi điện ỏp-tần số  BBĐ điện ỏp-tần số biến đổi điện ỏp một chiều đầu vào thành dóy xung đầu ra cú tần số tỉ lệ với điện ỏp đú So sỏnh Phản hồi xung R1 R2 C K UX (đầu vào) U0 UPHX URA fx (đầu ra) Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 20/42 Bộ biến đổi điện ỏp-tần số (tiếp theo) TPH TTP TX UTP(t) UPHX(t) URA(t) t t t U0 UPH Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 21/42 Bộ biến đổi điện ỏp-tần số (tiếp theo) ( ) 1 2 10 0 1 2 1 1 2 1 2 1 1 1 1 1 1 ; Điện áp từ hai lần tích phân của một chu kỳ: Ta có: với TP PHT T x PH x TP PH PH x PH x PH TP PH x PH x x PH PH x TP PH U dt U U dt R C R C R C T T TU U U R C R C R C TT T U U R C R C T U T U T T T R C R C   = −    = − + = = = + ∫ ∫ 2 1 2 1 1 ; với Tần số lặp lại của dãy xung ở đầu ra tỉ lệ với điện áp một chiều ở đầu vào x x PH PH x x PH PH x R U T R T U Rf KU K R T U U = = = Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 22/42 Bộ biến đổi tương tự-số  Biến đổi cỏc đại lượng tương tự thành đại lượng số ở đầu ra  Là bộ biến đổi cơ bản nhất trong KTĐLS  Đầu vào là một đại lượng tương tự, đầu ra là một đại lượng số  Rất đa dạng, xột một số vớ dụ: Cỏc bộ biến đổi tương tự-số khụng gian (BBĐ chiều dài-mó và BBĐ gúc-mó) Bộ biến đổi thời gian-mó Bộ biến đổi điện ỏp-móBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 23/42 Bộ biến đổi chiều dài-mó  Biến đổi chiều dài về mó  Tấm cỏch điện cú phủ một lớp dẫn điện theo một mó nào đú  Lấy thụng tin ra bằng hệ thống chổi quột, số chổi quột bằng số hàng của mó cần lấy ra  Thường sử dụng Mó Gray Mó N HT chổi quột Thước mã Mó ra . kl N l= ∆Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 24/42 Bộ biến đổi gúc-mó Đốn chiếu sỏng Đĩa mó Thấu kớnh HT tế bào quang điện Đĩa mó Mó N . kNα α= ∆  Biến đổi gúc quay thành mó  Đĩa mó phủ lớp sơn đặc biệt theo một mó nào dú  Lấy thụng tin ra bằng hệ thống quang học  Thường sử dụng Mó GrayBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 25/42 Bộ biến đổi thời gian-mó TXC K BĐX Trigơ XKĐ XT TX NX (đầu ra) TX (đầu vào) T0=1/f0 0 0 .xx x TN f T T = = Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 26/42 Bộ biến đổi thời gian-mó (tiếp theo) Xung KĐ Xung Tắt T0 TX UTXC UTR UBĐX UĐK t t t t NX 0 0 .xx x TN f T T = = Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 27/42 Bộ biến đổi điện ỏp-mó So sỏnh TXRC Tri gơ K BĐXTXC Ux (đầu vào) XKĐ XT TX NX (đầu ra) Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 28/42 Bộ biến đổi điện ỏp-mó (tiếp theo) Xung KĐ Xung Tắt T0 TX UTXC UTR UBĐX UĐK t t t t NX UTXRC Ux Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 29/42 Bộ biến đổi điện ỏp-mó (tiếp theo) 0 0 1 . . . Điện áp răng cưa: Tại , có Do vậy, Mã đầu ra: Do đó, với RC x RC x x x x x x x x U at t T U U U at T U a N f T fN K U K a = = = = ⇔ = = = = Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 30/42 Bộ biến đổi số- tương tự  Biến đổi ngược đại lượng số thành đại lượng tương tự ở đầu ra  Là bộ biến đổi cơ bản nhất cần thiết trong cỏc sơ đồ biến đổi cõn bằng  Đầu vào là đại lượng số, đầu ra là một đại lượng tương tự  Đa dạng, xột một số vớ dụ: Bộ biến đổi mó-thời gian Bộ biến đổi mó-điện ỏp Bộ biến đổi mó-điện trởBộ ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 31/42 Biến đổi mó-thời gian BĐX Thuận-Nghịch K TXC Trigơ XT XKĐ TX (đầu ra) T0=1/f0 NX (đầu vào) 0. x x Đại lượng đầu vào là mã N Đại lượng đầu ra là khoảng thời gian T của xung trigơ x xT T N=Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 32/42 Bộ biến đổi mó-điện ỏp N0 N1 NX (đầu vào) Nn Ura R R R R R 3R/4 R/2 R/2 R/2 R/2 R/4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 E0 Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 33/42 Bộ biến đổi mó-điện ỏp (tiếp theo) 10 0 1 ( ) 2 . 2 2 Nếu điện trở tải của BBĐ là rất lớn , ta có: , với N m i i RA RA xm m i R E EU a U K N K− = = ∞ = ⇔ = =∑ Điện ỏp ra tỉ lệ với mó Nx cần biến đổi Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 34/42 Biến đổi mó-điện trở N0 N1 Nn NX (đầu vào) RX (đầu ra) 20∆R 21∆R 2n-1∆R 1 1 . 2 . Điện trở đầu ra của BBĐ: Như vậy, , với (hằng số) m i i x i x x R R a R K N K R − = = ∆ = = ∆ ∑ Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 35/42 2 10Đầu vào là Mã 2 (N ), đầu ra là Mã 10 (N ) Ban đầu BĐX nghịch được nạp mã 2, còn BĐX thuận được thiết lập về 0 Quá trình đếm giảm dần xảy ra ở BĐX nghịch mã 2 Quá trình đếm tăng dần xảy ra ở BĐX thuận m (10) (2) ã 10 Khi BĐX nghịch về 0, cả hai BĐX ngừng đếm Quá trình đếm tăng dần xảy ra ở BĐX th ra vàoN N= Bộ biến đổi mó-mó  Biến đổi từ mó này sang mó khỏc.  Đa dạng, xột một vớ dụ:  Bộ biến đổi từ mó 2 thành mó 10 (thõn thiện với người dựng hơn) Bộ m ụn LT M -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 36/42 Bộ biến đổi mó-mó (tiếp theo) BĐX Nghịch Mó 2 K TXC TrigơXT XKĐ T0=1/f0 N2 (đầu vào) BĐX Thuận Mó 10 N10 (đầu ra)Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 37/42 Hiển thị trong kỹ thuật đo lường số  Ba loại hiển thị: Hiển thị 7-8 đoạn bằng LED Hiển thị bằng màn hỡnh tinh thể lỏng LCD Hiển thị bằng đốn sợi đốt hoặc đốn cú khớ (hiện nay ớt dựng) Bộ m ụ L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 38/42 Hiển thị bằng đốn sợi đốt hoặc đốn cú khớ Xắp xếp đốn sợi đốt Đốn cú khớ Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 39/42 Hiển thị bằng đốn LED A B C D E F G DP Đốn LED BCD – 7 segment DecoderBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 40/42 Hiển thị bằng LCD (tiếp theo)  Vớ dụ: Mỏy hiệu chuẩn mạch vũng (Loop Calibrator) của hóng Fluke Cấu tạo của LCDCấu tạo của LCDBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 41/42 Một số thiết bị đo lường số Light Meter Magnetic Field Meter Sound Level MeterWind Speed Meter Handheld Digital Oscilloscope Network Analyzer Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 42/42 VÀ CUỐI CÙNG LÀ ...  CẢM ƠN Bộ m ụn L TM -Đ L