Đo lường điện - Bài 7: Đo tần số

â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 1/41 Bài 7 Đo tần 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 2/41 Nội dung I. Khỏi niệm chung về đo tần số II. Cỏc phương phỏp đo tần số bằng cỏc mạch điện cú tham số phụ thuộc tần số III. Cỏc phương phỏp so sỏnh để đo tần số IV. Cỏc phương phỏp số để đo tần số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 3/41 Phần I Khái niệm chung về đo tần số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 4/41 Khái niệm tần số  Tần số là số chu kỳ của một dao động trong một đơn vị thời gian  Tổng quát, tần số được xác định theo tần số góc ω(t) biểu thị tốc độ biến đổi pha của dao động.  Tần số góc ω(t) là đạo hàm của góc pha của dao động theo thời gian  Tần số góc còn có thể biểu diễn: ω(t) = 2πf(t) với ω(t) và f(t) là tần số góc và tần số tức thời  Với dao động điều hòa, góc pha biến đổi tỷ lệ với thời gian, do vậy đạo hàm của góc pha theo thời gian có giá trị không đổi ω = 2πf Do vậy, tần số f của dao động điều hòa chính là giá trị trung bình dt dt ϕω =)( Tần số gúc và tần số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 5/41 Quan hệ của tần số với bước sóng và chu kỳ  Quan hệ của tần số với bước súng: c là tốc độ ỏnh sỏng truyền lan tự do (c = 3.108m/s) λ là chiều dài bước súng [m]  Quan hệ của tần số với chu kỳ: T là chu kỳ của dao động λ λ = = c c f hay f 1 1 f hay T T f = = Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 6/41 Độ chính xác và lượng trình đo tần số  Phộp đo tần số là phộp đo cú độ chớnh xỏc cao nhất trong kỹ thuật đo lường, do sự phỏt triển vượt bậc của việc chế tạo cỏc mẫu tần số  Cỏc mẫu đo tần số đạt được độ chớnh xỏc và độ ổn định rất cao (sai số nhỏ nhất đạt tới giỏ trị 10-12)  Lượng trỡnh đo của phộp đo tần số rất rộng, giới hạn này tăng lờn cựng với sự phỏt triển của kỹ thuật vụ tuyến điện  Ngày nay đó tiến hành đo được cỏc tần số khoảng 3.1015 Hz Frequency Standards Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 7/41 Các dải tần trong kỹ thuật vô tuyến điện  Trong kỹ thuật vô tuyến điện lượng trình đo tần số được phân thành các dải tần khác nhau:  Dải tần thấp bao gồm các tần số thấp (nhỏ hơn 16Hz)  Dải tần số âm thanh (từ 16 Hz tới 20 KHz)  Dải tần số siêu âm (từ 20 KHz đến 200 KHz)  Dải tần số cao (từ 200 KHz đến 30 MHz)  Dải tần số siêu cao (từ 30 MHz đến 3000 MHz)  Dải tần số quang học (trên 3000 MHz) Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 8/41 Các phương pháp đo tần số  Phương phỏp đo tần số rất đa dạng, mỗi phương phỏp được ứng dụng cho từng dải tần cụ thể  Thường phõn thành 3 nhúm sau:  Nhóm phương pháp đo tần số bằng các mạch điện có tham số phụ thuộc tần số  Nhóm phương pháp so sánh  Nhóm các phương pháp số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 9/41 Phạm vi ứng dụng của phép đo tần số  Phộp đo tần số là phộp đo rất thụng dụng:  ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, nhất là trong lĩnh vực điện tử, tin học, viễn thụng  ứng dụng khụng chỉ trong khai thỏc cỏc thiết bị mà cũn ở nhiều lĩnh vực nghiờn cứu khoa học  trong kỹ thuật vụ tuyến điện phộp đo tần số thường được sử dụng để kiểm tra, hiệu chuẩn cỏc mỏy tạo tớn hiệu đo lường, cỏc mỏy thu phỏt, xỏc định tần số cộng hưởng của cỏc mạch dao động, dải thụng của bộ lọc, kiểm tra độ lệch tần số của cỏc thiết bị đang khai thỏc v.v  Phộp đo tần số là một trong những phộp đo quan trọng nhất, thụng dụng nhất trong lĩnh vực điện tử viễn thụng. Bộ m ụ L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 10/41 Phần II Các phương pháp đo tần số bằng các mạch điện có tham số phụ thuộc tần số 2.1 Phương pháp cầu 2.2 Phương pháp cộng hưởng 2.3 Phương pháp phóng nạp tụ Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 11/41 2.1 Phương pháp cầu  Nguyờn tắc: dựng cỏc cầu đo mà điều kiện cõn bằng của cầu phụ thuộc vào tần số của nguồn điện cung cấp cho cầu  Theo phương phỏp này người ta chế tạo cầu đo tần số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 12/41 Phương pháp cầu (tiếp theo)  Điều kiện cõn bằng của cầu đạt được khi: ta cú trong đú suy ra hay tần số đo được 0ABU = 4231 ZZZZ  =       −+= 3 333 1 C LjRZ x x ω ω 4231 RRRR = 01 3 3 =− C L x x ω ω 332 1 CL f x π = •C3 điều chỉnh cầu cân bằng. •Thang độ của tụ C có thể khắc trực tiếp theo đơn vị tần số. •Thay đổi thang đo bằng cách thay đổi nhẩy bậc giá trị L3. •Bộ chỉ thị cân bằng thường là các vôn mét xoay chiều có độ nhạy cao hoặc điện kế từ điện chỉnh lưu. Ufx R3 L3 C3 AB Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 13/41 Phương pháp cầu (tiếp theo)  Kiểu cầu "chữ T kép“ sử dụng trong thực tế  Cầu đơn sử dụng trong thực tế Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 14/41 Phương pháp cầu (tiếp theo)  Đặc điểm của phương pháp cầu:  Phương pháp cầu dùng để đo tần số từ vài chục Hz tới vài trăm KHz  Khó đo các tần số thấp do khó chế tạo cuộn cảm  Khó chỉ thị “0” do từ trường ngoài tác động lên cuộn cảm  Sai số khoảng 0,5% đến 1%. Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 15/41 2.2 Phương pháp cộng hưởng  Theo phương phỏp cộng hưởng người ta chế tạo tần một cộng hưởng để đo tần số cao và siờu cao tần Mạch cộng hưởng Bộ phận ghộp Bộ phận chỉ thị Bộ phận điều chỉnh Ufx  Nguyên tắc: dựa vào nguyên lý chọn lọc tần số của mạch cộng hưởng Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 16/41 Phương pháp cộng hưởng (tiếp theo)  Tựy theo dải tần số mà cấu tạo của mạch cộng hưởng khỏc nhau.  Cú ba loại mạch cộng hưởng: Mạch cộng hưởng cú điện dung và điện cảm đều là linh kiện cú thụng số tập trung Mạch cộng hưởng cú điện dung là thụng số tập trung cũn điện cảm là thụng số phõn bố Mạch cộng hưởng cú điện cảm và điện dung đều là phần tử cú tham số phõn bố Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 17/41 Phương pháp cộng hưởng (tiếp theo)  Tần một cộng hưởng cú thụng số tập trung:  Điện dung C và điện cảm L của mạch cộng hưởng đều là cỏc linh kiện cú thụng số tập trung  Bộ phận điều chỉnh cộng hưởng là tụ điện biến đổi C cú thang độ khắc độ theo đơn vị tần số  Việc thay đổi thang đo của tần số một được thực hiện bằng cỏch thay đổi cuộn cảm L  Dải tần đo được tần số từ 10 KHz đến 500 MHz; với sai số khoảng (0,25 ữ 3)%. 1 2x f LCπ = Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 18/41 Phương pháp cộng hưởng (tiếp theo)  Tần số một cộng hưởng với mạch cộng hưởng là cỏc phần tử phõn bố: Trong dải súng từ 3 cm - 2 m dựng mạch cộng hưởng là đoạn cỏp đồng trục; sai số vào khoảng 0,5% Trong dải súng < 3cm dựng hốc cộng hưởng cấu tạo bằng ống dẫn súng; ưu điểm hệ số phẩm chất cao nờn sai số nhỏ (khoảng 0,01% - 0,05%) Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 19/41 Phương pháp cộng hưởng (tiếp theo)  Tần một cộng hưởng dựng cỏp đồng trục  Cộng hưởng đạt được khi dịch chuyển piston với độ dài bằng bội số nguyờn lần của λ/2  Xỏc định bước súng bằng cỏch lấy hai điểm cộng hưởng lõn cận l1 = nλ/2, l2 = (n - 1)λ/2. Như vậy hiệu l1 - l2 = λ/2  Kết quả, bước súng của tớn hiệu siờu cao tần xỏc định theo: λ = 2 (l1 - l2)  Khắc độ trực tiếp đơn vị bước súng (hoặc tần số) trờn hệ thống điều chỉnh piston.  Dựng trong dải súng từ 3cm đến 20cm; sai số khoảng 5% Tần một cộng hưởng Bộ m ụ L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 20/41 Phương pháp cộng hưởng (tiếp theo)  Tần một cộng hưởng dựng ống dẫn súng:  Tần số một với hốc cộng hưởng thớch hợp với dải súng nhỏ hơn 3cm  Do cú hệ số phẩm chất cao (khoảng 30.000) nờn sai số nhỏ, khoảng 0,05%. Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 21/41 Sai số của phương pháp cộng hưởng  Sai số của phộp đo tần số khi sử dụng phương phỏp cộng hưởng do cỏc nguyờn nhõn sau gõy nờn: Sai số do xỏc định điểm cộng hưởng khụng chớnh xỏc (liờn quan tới hệ số phẩm chất của khung cộng hưởng) Sai số đo nhiệt độ, độ ẩm của mụi trường xung quanh Sai số do khắc độ Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 22/41 Sai số của phương pháp cộng hưởng (tiếp theo)  Biện phỏp giảm sai số do xỏc định điểm cộng hưởng khụng chớnh xỏc:  Đo từ hai phớa điểm cộng hưởng (f1 và f2 cú mức chỉ thị bằng nhau ở 2 phớa điểm cộng hưởng)  Lấy giỏ trị trung bỡnh cộng để xỏc định tần số cộng hưởng fch:  Biện phỏp giảm sai số do ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm mụi trường xung quanh: bự nhiệt, sơn chống ẩm và dựng cỏc vật liệu cú hệ số nhiệt nhỏ.  Biện phỏp giảm sai số do khắc độ: dựng cỏc phương phỏp khắc độ đặc biệt cho thang tần số. fCH f I f1 f2 Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 23/41 Phần III Các phương pháp so sánh để đo tần số  Nguyờn tắc: so sỏnh giữa tần số cần đo và tần số mẫu.  Độ chớnh xỏc cao, tiệm cận tới độ chớnh xỏc của mẫu và phụ thuộc vào kỹ thuật thực hiện phộp so sỏnh.  Cỏc phương phỏp so sỏnh: 3.1 Phương phỏp so sỏnh dựng mỏy hiện súng 3.2 Phương phỏp ngoại sai Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 24/41 3.1 Phương pháp so sánh 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 25/41 a. Phương pháp quét thẳng Y X Ufx Ufm 2 1 Lx  Máy hiện sóng thiết lập ở chế độ quét liên tục - đồng bộ trong hoặc quét liên tục - đồng bộ ngoài  Lần lượt đưa điện áp có tần số đo Ufx và điện áp có tần số mẫu Ufm tới đầu vào Y của máy hiện sóng  Giả sử với cùng một tỷ lệ xích thời gian  độ rộng của một chu kỳ Tx (điện áp có tần số cần đo) là Lx  độ rộng ứng với n chu kỳ Tm của điện áp có tần số mẫu là Lm ta có: hay là . .xx m m LT nT L = .m mx x L ff L n = Lm Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 26/41 Phương pháp quét thẳng (tiếp theo)  So sỏnh tỉ lệ xớch thời gian giữa chu kỳ điện ỏp cần đo tần số với chu kỳ của điện ỏp cú tần số mẫu  tỡm ra fx Lx Lm Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 27/41 Phương pháp quét thẳng (tiếp theo)  Sai số đo:  Xác định độ lớn của một chu kỳ của ảnh không chính xác (do việc kẻ đường nằm ngang không chính xác)  Sai số lượng tử hóa  Trên thực tế các máy hiện sóng đều đã khắc vạch sẵn theo các tỷ lệ xích thời gian khác nhau (ví dụ 1s/vạch hay 1ms/vạch ...)  Không cần đưa tín hiệu mẫu vào mà có thể đọc trực tiếp tần số (chu kỳ) của điện áp nghiên cứu.  Trước khi đo cần hiệu chỉnh lại tỷ lệ xích thời gian bằng chính tín hiệu mẫu từ bộ hiệu chuẩn của máy hiện sóng. L TIME/DIV Mô phỏng đo tần số bằng phương pháp quét thẳngBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 28/41 b. Phương pháp quét sin  Máy hiện sóng thiết lập ở chế độ khuếch đại.  Điện áp có tần số cần đo Ufx được đưa tới đầu vào Y còn điện áp có tần số mẫu Ufm được đưa tới đầu vào X  Thay đổi tần số fm sao cho trên màn nhận được hình Lissajous ổn định nhất. Điều này chỉ đạt được khi có điều kiện sau: Y X Ufx Ufm . x x m m f n nhay f f f m m = = Mụ phỏng n – số điểm cắt ngang m – số điểm cắt dọcBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 29/41 Phương pháp quét sin (tiếp theo)  Một vài dạng lisajous có thể gặp Mô phỏng Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 30/41 3.2 Phương pháp ngoại sai  Nguyên lý: so sánh tần số cần đo fx và tần số mẫu fm bằng phương pháp ngoại sai.  Hiện tượng phách: khi trộn tần 2 dao động có tần số cần đo fx và tần số mẫu fm, ở đầu ra của bộ trộn tần có nhiều thành phần dao động khác nhau trong đó có dao động tần số phách fp fp = | fm - fx | Khi thay đổi tần số mẫu thì tần số phách cũng thay đổi: fp[Hz] 0 16 fm1 fm2A fmBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 31/41 Phương pháp ngoại sai (tiếp theo)  Trộn tần hai dao động Ufx và Ufm , lọc và khuếch đại riờng dao động thành phần tần số phỏch fp = |fx – fm| Trộn tần Điện ỏp mẫu Lọc & Khuếch đại Ufp Ufx Ufm Bộ ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 32/41 Phương pháp ngoại sai (tiếp theo)  Thay đổi tần số mẫu sao cho fx = fm và khi đó fp = 0 hiện tượng phách điểm không. Điểm A gọi là điểm phách “0“  Tai người không thể nghe được các tần số thấp hơn 16Hz, nên khoảng từ fm1 đến fm2 là vùng tần số không nghe được. Khắc phục bằng cách đo từ hai phía của điểm phách “0” 1 2 2 m m x m f ff f += = Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 33/41 Phương pháp ngoại sai (tiếp theo)  Trờn cơ sở hiện tượng phỏch “0" chế tạo tần một ngoại sai để đo tần số cao 2 1 CM Trộn tần Dao động thạch anh Dao động ngoại sai LC Lọc & Khuếch đại Ufx Điện ỏp mẫu Ufp Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 34/41 Phương pháp ngoại sai (tiếp theo)  Tại sao tần một ngoại sai cần cú hai bộ dao động?  Bộ dao động thạch anh tạo dao động cú tần số rất chớnh xỏc và ổn định; nhưng khụng điều chỉnh được tần số  Bộ dao động LC cú khả năng điều chỉnh tần số; nhưng khụng chớnh xỏc và khụng ổn định  Giải phỏp kết hợp hai bộ dao động:  Dao động thạch anh dựng làm dao động tần số mẫu; làm mộo tớn hiệu để tạo ra cỏc hài (cỏc điểm kiểm tra)  Dao động LC dựng làm dao động ngoại sai điều chỉnh tần số xung quanh điểm kiểm tra do bộ dao động thạch anh tạo raBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 35/41 Phương pháp ngoại sai (tiếp theo)  Tần một ngoại sai chủ yếu dựng làm phương tiện kiểm tra tần số (cần biết trước tần số cần đo nằm trong phạm vi nào đú)  Tần số một ngoại sai cú độ chớnh xỏc cao, sai số khoảng 10-6, được sử dụng rộng rói trong việc kiểm tra tần số trong cỏc thiết bị vụ tuyến điện Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 36/41 Phần IV Các phương pháp số để đo tần số  Sử dụng rộng rói nhất trong đo tần số  Hai phương phỏp thụng dụng 4.1 Phương phỏp xỏc định nhiều chu kỳ 4.2 Phương phỏp xỏc định một chu kỳ Bộ đếm tầnTần một số Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 37/41 4.1 Tần số mét số dựa trên phương pháp xác định nhiều chu kỳ  Tần số mét loại này có độ chính xác rất cao, tiệm cận tới độ chính xác của tần số mẫu f0.  Phương pháp này thường được dùng để chế tạo các tần mét cao tần. TX K BĐX Trigơ TTR NX HTS CT TXC Ufx f0 fCT fx Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 38/41 Tần số mét số dựa trên phương pháp xác định nhiều chu kỳ (tiếp theo) Ufx t UTX t UTXC UCT UTR UBĐX t t t t TX T0 TCT NXBộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 39/41 Tần số mét số dựa trên phương pháp xác định nhiều chu kỳ (tiếp theo)  Dãy xung với tần số chuẩn f0 qua bộ chia tần tạo thành dãy xung có tần số là fCT n là hệ số chia tần  Trigơ điều khiển khóa K mở trong thời gian TCT. Do đó, mã Nx ở đầu ra của bộ đếm xung: hay mã Nx tỷ lệ với tần số cần đo ở đầu vào fx o CT ff n = CT x x TN T = 0 .x x nN f f = Bộ ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 40/41 4.2 Tần số mét số dựa trên phương pháp xác định một chu kỳ  Tần số mét loại này có độ chính xác cao và thường dùng để đo tần số thấp TX K BĐX TXC NX HTS Ufx fx f0 Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 41/41 Tần số mét số dựa trên phương pháp xác định một chu kỳ (tiếp theo)  Nx ở đầu ra của bộ đếm xung BĐX tại thời điểm kết thúc thời gian Tx: mã Nx tỷ lệ với tần số cần đo ở đầu vào fx Ufx UTX UTXC UBĐX TX T0 NX t t t t x x x o x o TN N f T T = ⇔ = Bộ m ụn L TM -Đ L â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 42/41 VÀ CUỐI CÙNG LÀ ... CẢM ƠN Bộ m ụn L TM -Đ L