Bài giảng Đo điện tử: Chương 8 - Thiết bị đo chỉ thị số

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:39

Thêm vào BST

Báo xấu

1
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Đo điện tử: Chương 8 - Thiết bị đo chỉ thị số, cung cấp cho sinh viên những kiến thức như: Bộ biến đổi A/D; Bộ biến đổi D/A; Vôn kế số; Máy đo vạn năng chỉ thị số; Máy đo LC chỉ thị số; Phương pháp đếm tần số và đo chu kỳ;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Đo điện tử: Chương 8 - Thiết bị đo chỉ thị số

Chương 8: Thiết bị đo chỉ thị số 8.1.Bộ biến đổi A/D. 8.2.Bộ biến đổi D/A. 8.3.Vôn kế số. 8.4.Máy đo vạn năng chỉ thị số. 8.5.Máy đo LC chỉ thị số. 8.6.Phương pháp đếm tần số và đo chu kỳ.
8.1.Bộ biến đổi A/D • Tín hiệu đo có dạng analog (dòng, áp…) để xử lý tín hiệu này trong lĩnh vực số người ta biến đổi chúng thành tín hiệu số bằng những bộ biến đổi A/D. Ngược lại từ tín hiệu số, ta biến đổi thành tín hiệu analog (D/A) để sử dụng khi cần. Trong quá trình lấy mẫu và lượng hóa sẽ có đơn vị lượng hóa. Giá trị của tín hiệu số bất kỳ được biểu diễn bằng bội số của giá trị chuẩn q nào đó. Quá trình này gọi là lượng tử hóa. Tín hiệu tương tự thì không nhất thiết là bội số của q điều này dẩn đến sai số lượng tử hóa. Có những cách khác nhau phân chia các mức lượng tử dẩn đến sai số lượng tử hóa khác nhau.
• Ví dụ: n = 3, Vimax = 8mV, đơn vị lượng hóa q = 8mV/23 = 1mV • Với Vi bất kỳ < 8mV được biểu diễn dưới dạng số thỏa mãn: • V = Nq  q 1 V = N (1mV )  mV i i 2 2 Vi = 3mV = 011(1mV )  0,5mV Vi = 6mV = 110 (1mV )  0,5mV
1V 1V 111 7q = 7/8V 111 7q = 14/15V 7/8 13/15 110 6q = 6/8V 110 6q = 12/15V 6/8 11/15 101 5q = 5/8V 101 5q = 10/15V 5/8 9/15 100 4q = 4/8V 100 4q = 8/15V 4/8 7/15 011 3q = 3/8V 011 3q = 6/15V 3/8 5/15 010 2q = 2/8V 010 2q = 4/15V 2/8 3/15 001 1q = 1/8V 001 1q = 2/15V 1/8 000 0q = 0V 1/15 000 0q = 0V 0 0 H.a H.b • Ví dụ: Ta biến đổi tín hiệu áp 0 - 1V thành tín hiệu số nhị phân 3 bít. -Nếu chọn q = 1/8(V), đồng thời quy định sự chuyển đổi như h.a thì sai số lượng tử cực đại là q = 1/8(V). • -Nếu chọn q = 2/15(V), đồng thời quy định sự chuyển đổi như h.b thì sai số lượng tử cực đại sẽ nhỏ hơn và bằng q/2 = 1/15(V).
• Sai số do sự lấy mẫu và lượng hóa của bộ biến đổi gồm có : sai số offset, sai số khuếch đại, sai số phi tuyến và được tính theo phần trăm của tầm đo. Còn độ chính xác của bộ biến đổi thì độc lập với sai số này và chỉ phụ thuộc vào số bít n. • Ví dụ n = 8 thì 1/2n = 1/28 = 1/256 tương ứng độ chính xác là 0,4% cho sự lượng tử hóa. • Ngoài ra cần phân biệt độ chính xác và sai số do tín hiệu nhiễu xãy ra trong bộ biến đổi vì mọi tín hiệu analog đều chứa 1 phần nhỏ tín hiệu nhiễu, nếu tăng số bít lên sẽ giảm sai số này.
Khi dùng bộ biến đổi A/D, hai đặc điểm quan trọng là độ chính xác và tốc độ biến đổi. Tốc độ biến đổi thì tỉ lệ nghịch với số bít n ngõ ra vì thời gian biến đổi tc phụ thuộc số bít : tc = nTh Trong đó Th chu kỳ xung clock của bộ biến đổi. Ngày nay với sự phát triển của công nghệ chế tạo IC đưa đến chế tạo bộ biến đổi 14 bit hoạt động ở tần số 1GHz làm tăng sự ứng dụng thiết bị số trong lĩnh vực đo lường tự động hóa.
1.Bộ biến đổi A/D loại “Tracking” • Bộ biến đổi này hoạt động theo cách thức dò tìm trị số từ từ theo nhịp xung clock điều khiển sự hoạt động của bộ đếm theo điện áp ra V0 của bộ so sánh: • Vi >Va :V0 >0: đếm lên • Vi
2.Bộ biến đổi A/D loại xấp xỉ liên tiếp • Bộ biến đổi này hoạt động theo chu trình kín của sự so sánh liên tiếp giống như loại “tracking”. • So sánh tín hiệu vào Vi lớn hơn hay nhỏ hơn tín hiệu ra Va sẽ điều khiển sự chỉ thị tăng hay giảm của thanh ghi xấp xỉ liên tiếp(SAR) đồng thời điều khiển thanh ghi hoạt động theo V
Ví dụ: Khi có tín hiệu vào Vi sẽ khởi động cho thanh ghi hoạt động cho ra tín hiệu 100 (bít lớn nhất =1), tín hiệu này đi qua bộ biến đổi D/A để biến đổi ra điện áp chuẩn Va .Khi tín hiệu Vi còn lớn hơn Va thì tín hiệu ra của SAR vẫn giữ MSB = 1 và tăng số ghi từ 100 lên 110, trị số này được đưa qua D/A để có V’a tiếp tục so sánh với Vi , nếu Vi =V’a thì 110 được giữ lại và cho ra kết quả. Nếu Vi > V’a thì SAR tăng lên 111. Nếu Vi < V’a thì SAR giảm xuống 101, trị số 101 đưa vào bộ D/A để có V”a , nếu V”a = Vi trị số 101 được giữ lại và cho ra kết quả. Ngược lại Vi < Va khi SAR bắt đầu từ 100 thì SAR sẽ cho ra 010, sau khi qua bộ D/A để có V’a nếu Vi > V’a thì SAR xuất ra 011 , nếu bộ D/A cho ra V”a = Vi thì trị số 011 được giữ lại và cho ra kết quả. Phương pháp này biến đổi nhanh hơn ph.ph.”tracking”và không phụ thuộc vào dạng tín hiệu. Ví dụ bộ biến đổi 8 bít thì chỉ cần 8 chu kỳ xung clock để so sánh cho mỗi bít.
3.Bộ biến đổi A/D 1 độ dốc • Dùng mạch tạo nguồn tín hiệu dạng hàm RAMP đưa vào mạch so sánh.Tại thời điểm tín hiệu hàm ramp ở mức 0V,bộ đếm được reset, khi xung kích khởi động cho bộ đếm bắt đầu đếm đồng thời khởi động cho mạch tạo hàm ramp hoạt động.Như vậy bộ biến đổi bắt đầu chu trình biến đổi A/D cho đến khi tín hiệu Ramp đạt đến Vi ,khi đó tín hiệu ra của mạch so sánh bằng 0 thì ngưng cho xung đếm vào bộ đếm, số xung đếm được tỉ lệ Vi mạch cài giữ lại để trình bày.
4.Bộ biến đổi A/D 2 độ dốc • Mạch hoạt động 2 giai đoạn: • Giai đoạn t1 = 2n Th : mạch tích phân nạp điện áp Vi . • t1 cố định khi n,Th định trước • Giai đoạn t2 = NTh: mạch tích phân nạp điện áp -ER . • ER : Điện áp chuẩn • N số xung đếm được ở giai đoạn này • Tín hiệu vào Vi = ER (t2 /t1) • Hay: Vi = ER (N /2n) Nếu Vimax = ER khi đó Nmax = 2n Ưu điểm: chu kỳ xung clock không ảnh hưởng đến kết quả đo V .
5.Bộ biến đổi điện áp - tần số (VCF) • Mạch tích phân nạp điện trong thời gian T1 với điện áp vào Vi và xả điện với dòng điện chuẩn Iref trong thời gian T2 giống như mạch tích phân 2 độ dốc. T2 1 Vi • Như vậy: Vi = RI ref T → f1 = T = RI T 1 1 ref 2 Vi max 1 • Thông thường ta chọn Vimax = RIref, nên: f1max = = RI ref T2 T2
Tín hiệu ở ngõ ra mạch so sánh sẽ tạo xung kích cho mạch đa hài 1 trạng thái bền (monostable multivibrator) hoạt động do đó tín hiệu ở ngõ ra của mạch MS có tần số f1 như tính ở trên: 1 Vi f1 = = T1 RI ref T2 Nếu dùng phương pháp đo tần số f1 bằng cách đếm xung (máy đếm tần số) thì dung lượng bộ đếm tương ứng với tần số f1max : 2n = f1max xT3; T3 :thời gian đếm xung; mà f1max = 1/T2 nên : T3 = 2 T2 n T2 được xác định bởi phần tử điện trở và tụ điện của mạch đa hài 1 trạng thái bền. Như vậy T3 không đổi khi dung lượng bộ đếm và T2 được chọn trước , cho nên số xung N được đưa vào bộ đếm phụ thuộc vào điện áp ngõ vào Vi xác định tần số f1 .
8.2.Bộ biến đổi D/A Bộ biến đổi số - tương tự làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu dạng số nhị phân N ở ngõ vào thành điện áp tỷ lệ ở đầu ra V0 : n−1 n−2 V0 = q(bn−1.2 + bn−2.2 + ... + b1.2 + b0.2 ) = q.N 1 0 Trong đó N là số nhị phân n bít được biểu diễn dưới dạng: N = bn−1bn−2 ...b1b0 bn-1 là MSB; b0 là LSB còn q là đơn vị lượng hóa hay còn gọi là bước lượng tử.
• Ví dụ điện áp ra lý tưởng của bộ biến đổi D/A đối với tín hiệu đầu vào dạng số nhị phân 3 bít như hình trên. Mỗi trị số của tín hiệu ra tương tự tương ứng với một trị số của tín hiệu số, trong trường hợp này ta có đơn vị lượng hóa q = 1/8.
Có rất nhiều mạch nguyên lý biến đổi số - tương tự , ta có thể chia thành 2 nhóm: -Các mạch DAC được tạo thành từ các linh kiện điện tử tương tự như mạch DAC loại dòng điện bậc thang hay mạch DAC loại phân áp R-2R bậc thang. Mạch DAC thuộc loại nhóm này có đặc tính kỷ thuật tốt, thời gian biến đổi nhanh. Tuy nhiên giá thành chế tạo tương đối cao và khó thu nhỏ kích thước. -Các mạch DAC được tạo thành chủ yếu từ các phần tử logic (thanh ghi, bộ đếm, phát xung thạch anh…). Loại này có kích thước rất nhỏ và kinh tế hơn. DAC kiểu biến đổi độ rộng xung là mạch điển hình cho loại này. Sau đây ta chỉ xét mạch DAC loại dòng điện bậc thang và loại phân áp R-2R bậc thang.
• Bộ biến đổi D/A cũng có sai số tổng là sai số offset, sai số khuếch đại và sai số tuyến tính và được nhà sản xuất cung cấp. • Bộ biến đổi D/A thường bao gồm mạch khóa điện Hình 13.20: Sô ñoà khoái cuûa maïch bieán ñoåi D/A tử, mạch phân áp bằng điện trở, mạch cài (latch) để giữ tín hiệu cần biến đổi và mạch khuếch đại là mạch cộng điện áp để đưa ra tín hiệu analog. • Khóa điện tử sẽ nối mạch phân áp với điện áp chuẩn Vref hoặc điện áp 0 (mass).
1.Bộ biến đổi bằng dòng điện bậc thang S3 S2 S1 S0 k3 k2 k1 k0 • Các bít nhị phân bk điều khiển sự chuyển mạch của các khóa khóa k. Các khóa k đóng vào các vị trí S3,S2,S1,S0 khi tín hiệu số có bít tương ứng bk = 1 và đóng vào mass khi bit bk = 0. Dòng điện đi qua khóa k có dạng: • Vref Vref Vref I k = I ref  bk .2 ; I ref = k n−1 ( MSB) : I 3 = 3 3 0  2 ; ( LSB) I 0 = 3 2 2 R 2 R 2 R • (Ví dụ : Với n = 4 , khi bít b3 (MSB) = 1, k3 đóng vào S3 dòng I3; khi bít b0 (LSB) = 1, k0 đóng vào S0 dòng I0 ).
S3 S2 S1 S0 k3 k2 k1 k0 • Ví dụ số nhị phân N = 0110 thì k3,k0 ở vị trí mass còn k2,k1 ở vị trí S2,S1 sẽ có dòng I2, I1. Vref Vref I2 =  2 ; I1 = 2  21 23 R 23 R • Điện áp ra V0 của bộ biến đổi: V0 = − Vref R f 2R 3 (0 + 2 2 ) + 2 + 0 = q.N ; q = − 1 Vref Rref 23 R
2.Bộ biến đổi bằng phân áp R-2R bậc thang S0 S1 S2 S3 k0 k1 k2 k3 f R R R Analog • Ph.ph. Lượng hóa mã nhị phân bằng phân áp R-2R bậc thang. • Các bít nhị phân bk điều khiển sự chuyển mạch của các khóa k. Ví dụ: Tín hiệu số:1001 các khóa k ở vị trí tương ứng như sau: • (MSB): k3 ở S3; k2 ở mass; k1 ở mass; (LSB): k0 ở S0 .