Đo lường điện - Bài 6: Đo góc lệch pha

â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 1/30 Mụn học: Đo lường điện Bài 6 Đo gúc lệch pha Mai Quốc Khỏnh Khoa Vụ tuyến điện tử Học viện KTQS Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 2/30 Nội dung I. Khỏi niệm chung về đo gúc lệch pha II. Cỏc phương phỏp đo gúc lệch pha Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 3/30 I. Khái niệm chung về đo góc lệch pha  Pha đặc trưng cho trạng thái của dao động điều hòa tại thời điểm xét  Ví dụ, điện áp xoay chiều: U(t) = Umsin (ωt + ϕo) có (ωt + ϕo) là pha của điện áp U(t) ϕo là pha ban đầu  Đối với hai điện áp xoay chiều dạng: U1(t) = Um1 sin (ω1t + ϕo1) U2(t) = Um2 sin (ω2t + ϕo2)  Góc lệch pha của hai điện áp: ϕ = (ϕo1 - ϕo2) + (ω1 - ω2)tBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 4/30 Khái niệm chung về đo góc lệch pha (tiếp theo) [ ] [ ] .360 .2 độ Rad ϕ ϕ π ∆ = ∆ = T T T T T∆ U(t) t T U1(t) U2(t)  Khi hai điện áp cùng tần số (ω1 = ω2 = ω) thì góc lệch pha giữa chúng là không đổi và không phụ thuộc vào thời điểm xét ( ) ( )2 1 .360 .360o ot t T T T ϕ − ∆ = = t1 t20 U1(t) = Um1 sin ωt U2(t) = Um2 sin (ωt + ϕ) Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 5/30 II. Các phương pháp đo góc lệch pha  Cỏc phương phỏp đo gúc lệch pha: 2.1 Phương phỏp dựng mỏy hiện súng 2.2 Phương phỏp biến đổi gúc lệch về điện ỏp 2.3 Phương phỏp biến đổi gúc lệch pha về khoảng thời gian 2.4 Phương phỏp bự 2.5 Phương phỏp biến đổi tần số  Mỗi phương phỏp đo cú đặc điểm riờng và sử dụng ở dải tần số xỏc địnhBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 6/30 2.1. Phương pháp dùng máy hiện sóng a. Phương phỏp quột thẳng b. Phương phỏp quột sin c. Phương phỏp quột trũn Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 7/30 a. Phương pháp quét thẳng  Thiết lập MHS: Chế độ quột liờn tục Chế độ đồng bộ tựy thuộc vào số tia của MHS: Đồng bộ trong với MHS 2 tia Đồng bộ ngoài với MHS 1 tia Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 8/30 Phương pháp quét thẳng (tiếp theo) Y1 Y2 X U1(t) U2(t) ( )360 2 ( )ϕ ϕ π∆ ∆= =ol lhay Rad L L Y X U1(t) U2(t) 2 1 CM Đo bằng MHS 1 tia (CĐ quột liờn tục đồng bộ ngoài) l∆ L l∆ L Đo bằng MHS 2 tia (CĐ quột liờn tục đồng bộ trong) Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 9/30 b. Phương pháp quét sin  Thiết lập MHS: chế độ khuyếch đại  U1(t) và U2(t) đưa tới các đầu vào X và Y của MHS: U1(t) = Um1 sinωt U2(t) = Um2 sin (ωt + ϕ)  Độ lệch của tia sáng (ảnh) theo trục X và trục Y: X = A sin ωt Y = B sin (ωt + ϕ) ở đây, A = Um1Sx, B = Um2 Sy; Sy, Sx độ nhạy của MHS theo kênh Y và X  Từ đó, ta nhận được phương trình hình e-lip ϕϕ 222 2 2 sincos2 Bx A Bxy A By =     +− Bộ m ụn LT M -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 10/30 Phương pháp quét sin (tiếp theo)  Từ phương trình, nếu X = 0 khi đó Y = Yo, ta xác định được: sin oY B ϕ = A X0 B Y0 Y X hay 0arcsin Y B ϕ = sin oX A ϕ = arcsin o X A ϕ =hay  Từ phương trình, nếu Y = 0 khi đó X = Xo, ta xác định được: Minh hoạ  Góc lệch pha có thể được xác định bằng cách đo các độ dài A (hoặc B) và X0 (hoặc Y0); tính hàm sin, rồi lấy hàm ngược arcsinBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 11/30 Phương pháp quét sin (tiếp theo)  Thực tế, thường xỏc định góc lệch pha bằng cách đo các độ dài A (hoặc A’) và B (hoặc B’); sau đú tính hàm sin, rồi lấy hàm ngược arcsin A’ B’ A B Minh hoạ Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 12/30 Phương pháp quét sin (tiếp theo)  Các dạng ảnh trên màn máy hiện sóng ứng với các góc lệch pha của hai tín hiệu sin thay đổi 0o đến 180o  Phương pháp quét sin đo góc lệch pha từ 0 đến 180o ; không phân biệt được dấu Đo góc lệch pha bằng MHS 0 0 0 0 0 00 0 90 90 90 180 180ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ= = = < < < < Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 13/30 2.2. Phương pháp biến đổi góc lệch pha về điện áp  Chủ yếu sử dụng ở tần số thấp  Xây dựng trên cơ sở đo góc lệch pha của hai điện áp điều hòa thông qua điện áp tổng UΣ, điện áp hiệu U∆  Nếu chọn U1 = U2 = U, ta có: 2U 1U 2U−  U∑ U∆ ϕ 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 1 2 1 2 2 cos 2 sin ϕ ϕ Σ ∆ = + + = + + U U U U U U U U U U 2 2 24 cos 2 cos 2 2 U U hay U Uϕ ϕΣ Σ= = 2 2 24 sin 2 sin 2 2 U U hay U Uϕ ϕ∆ ∆= =  Như vậy 2 cos 2 2 sin 2 Uarc U Uarc U ϕ ϕ Σ ∆  =   =  Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 14/30 Phương pháp biến đổi góc lệch pha về điện áp (tiếp theo)  Điện áp tổng và điện áp hiệu có thể đo kết hợp trong các mạch tách sóng (ví dụ: mạch tách sóng pha cân bằng) sin 2 ϕ Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa điện áp tổng và điện áp hiệu với góc lệch pha Mạch tách sóng pha cân bằng cos 2 ϕ sin 2 ϕ cos - sin 2 2 ϕ ϕ      Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 15/30 Phương pháp biến đổi góc lệch pha về điện áp (tiếp theo)  Các điện áp có góc lệch pha cần đo được đưa tới các đầu 3-4 và 5- 6 và được khống chế không đổi, trong đó U1 = U2 = U3-4/2 = U5-6 = const.  Các điốt đồng nhất Đ1, Đ2 (làm việc ở vùng đặc tuyến tách sóng tuyến tính); kết hợp với tụ và điện trở tải, tạo thành hai mạch tách sóng mắc đối nhau.  Điện áp một chiều giữa hai điểm 1-0 tỷ lệ thuận với điện áp tổng:  Điện áp một chiều giữa hai điểm 2-0 tỷ lệ với điện áp hiệu:  Như vậy:  Chỉ số của vôn mét đo điện áp U1-2 phụ thuộc vào góc lệch pha ϕ và có thể khắc độ trực tiếp qua góc lệch pha. 2 cos 210 ϕ == Σ U UKU 2 sin 220 ϕ == Λ U UKU 2 sin 2 cos)( 2 1)( 201012 ϕϕ −=−=−= ΛΣ UUU UUKKU Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 16/30 Phương pháp biến đổi góc lệch pha về điện áp (tiếp theo)  Sơ đồ điều chế mạch vòng để đo góc lệch pha theo nguyên lý biến đổi góc lệch pha thành điện áp Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 17/30 Phương pháp biến đổi góc lệch pha về điện áp (tiếp theo)  Đặc điểm:  Khi ϕ = 900 thì vôn mét chỉ 0, còn khi ϕ = 00 và 1800 thì vôn mét chỉ hai giá trị cực đại của điện áp U1-2 với cực tính ngược nhau. Vì vậy vôn mét phải có thang đo hai phía với điểm "0" ở giữa thang  Chỉ đo được góc lệch pha từ 00 đến 1800 với sai số khoảng (2-3)0  Dải tần tới hàng trăm MHz.  Không phân biệt được dấu của góc lệch pha. Phase Meter Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 18/30 3. Phương pháp biến đổi góc lệch pha thành khoảng thời gian  Biến đổi góc lệch pha về khoảng thời gian ∆T, sau đó đo khoảng thời gian đó trong một hay trong một số chu kỳ tín hiệu, nghĩa là đo góc lệch pha ϕ thông qua phép đo tỷ số ∆T/T ( ).360 oT T ϕ ∆=  Pha một xõy dựng theo nguyờn lý này được gọi là pha một thời gian xung; cú hai loại:  Pha một tương tự thời gian xung  Pha một số thời gian xungBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 19/30 Cỏc loại pha một thời gian xung  Pha một tương tự thời gian xung a. Pha một tương tự thời gian xung dựng trigơ b. Pha một tương tự thời gian xung dựng đa hài đồng bộ  Pha một số thời gian xung c. Pha một số thời gian xung dựng trigơ d. Pha một số thời gian xung với bộ chia tần Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 20/30 a. Pha một tương tự dựng trigơ Mạch vào Tạo dạng xung 1 Chọn cực 1 Trigơ Đầu vào 1 U1(t) CCĐ Mạch vào Tạo dạng xung 2 Chọn cực 2 Đầu vào 2 U2(t) Mạch vi phân phân bô Bộ m ụ L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 21/30 Pha một tương tự dựng trigơ (tiếp theo)  Chỉ thị từ điện sẽ đo được dòng trung bình trong một chu kỳ tín hiệu: vì nên hay 0 1 T tb m m TI I dt I T T ∆ ∆ = =∫ U1(t) t UTX1 UTX2 UCC1 UCC2 UTR ITR Im U2(t) 360 T T ϕ∆ = . 360tb m I I ϕ= 360 . tb m I I ϕ = T∆ t t t t t t Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 22/30 Pha một tương tự dựng trigơ (tiếp theo)  Góc lệch pha ϕ tỉ lệ tuyến tính với dòng điện Itb  khắc độ thang đo của chỉ thị từ điện theo đơn vị của góc lệch pha  Sai số của pha mét thời gian xung (có trị số khoảng 1 ữ 3%), phụ thuộc vào:  Quá trình quá độ của các bộ tạo dạng, và trigơ  Sai số thiết bị chỉ thị  Phạm vi đo góc lệch pha từ 00 đến 1800  Dải tần tới vài chục KHz Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 23/30 b. Pha một tương tự dựng đa hài đồng bộ Mạch vào KĐ hạn chế Đa hài đồng bộ A Mạch vi phân phân bố Đầu vào 1 U1(t) CCĐ Mạch vào KĐ hạn chế Đa hài đồng bộ B Đầu vào 2 U2(t) Đa hài đồng bộ I Đa hài đồng bộ II Σ  Pha một tương tự dựng mạch đa hài đồng bộ Bộ m ụ L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 24/30 Pha một tương tự dựng đa hài đồng bộ (tiếp theo)  Hoạt động của pha mét tương tự thời gian xung sử dụng mạch đa hài đồng bộ Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 25/30 c. Pha một số thời gian xung dựng trigơ Mạch vào Tạo dạng xung 1 Chọn cực 1 Trigơ Đầu vào 1 U1(t) Mạch vào Tạo dạng xung 2 Chọn cực 2 Đầu vào 2 U2(t) Mạch vi phân phân bô TXC K BĐX HTS TTR f0 NX  Cú thể tạo ra pha một số thời gian xung từ pha một tương tự thời gian xung bằng cỏch biến đổi số và thay chỉ thị từ điện bằng chỉ thị số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 26/30 Pha một số thời gian xung dựng trigơ (tiếp theo) 0 0 0 0 1. . .360 360 1. 360 . TR x TN T T T T T T T T T K ϕ ϕ = ∆ = ∆ = = = U1(t) U2(t) t UTX1 UTXC NX UTX2 UCC1 UCC2 UTR ITR Im UBDX T∆  Nếu đo được tần số của tín hiệu, ta sẽ đo được góc lệch pha t t t t t t t Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 27/30 c. Pha một số thời gian xung với chia tần 1 0 2 .360 360 360of T NT T f T N ϕ ∆∆ = = = Biến đổi 1 Trigơ Đầu vào 1 U1(t) Đầu vào 2 U2(t) Biến đổi 2 CT BĐX HTSK1 K2 TXC N1 N2  Trong pha mét số, khoảng thời gian ∆T và chu kỳ tín hiệu T được lấp đầy bởi xung mẫu có cùng tần số f0, góc lệch pha được xác định thông qua tỷ số của hai số lượng xung đếm được tương ứng với ∆T và T: UK1UTR UCT UK2 Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 28/30 Pha một số thời gian xung với chia tần (tiếp theo) 0 0. . TnT K T n K T = ⇔ = 1 0 0 . 1. 360 T TN T T ϕ∆  = =     0 2 0 . 1. . . 360 360 TT KN K T T ϕ ϕ = =    UTR UK2 T∆ T Tđ UCT N2 tUTXC T0 N1 UK1 t t t t  Td = K.T0 (với K - hệ số chia tần)  Mặt khác Td = n.T (với n - số chu kỳ tín hiệu trong khoảng thời gian Td)  Do vậy,  Số xung qua K1 trong khoảng thời gian  Số xung qua K2 trong thời gian Td là N2 = N1.n T∆  Do vậy Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 29/30 Pha một số thời gian xung với chia tần (tiếp theo)  Gúc lệch pha khụng phụ thuộc tần số của tớn hiệu vào và được xỏc định trực tiếp trờn thiết bị hiển thị số của pha một  Sai số của pha một số thời gian xung  Sai số do khoảng thời gian Td khụng bằng số nguyờn lần của chu kỳ tớn hiệu vào T  Cú thể giảm nếu chọn được hệ số chia tần thớch hợp  Sai số lượng tử hoỏBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 30/30 VÀ CUỐI CÙNG LÀ ...  CẢM ƠN Bộ m ụn L TM -Đ L