Bài giảng Kỹ thuật đo lường - Chương 6: Mạch đo và xử lý kết quả

CHƯƠNG 6 
MẠCH ĐO VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ 
1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 
Các chức năng cơ bản của mạch đo : 
 Khuếch đại tín hiệu từ cảm biến . 
 Tạo hàm biến đổi đặc tính . 
 Bù ảnh hưởng tác động của nhiễu . 
 Chuyển đổi A/D , D/A. 
 Gia công và tính toán ... 
KẾT QUẢ 
MẠCH ĐO 
CẢM BIẾN 
2. MẠCH TỈ LỆ DÒNG 
 SUN 
I CT 
I 
R S 
r CT 
I S 
 Dùng chủ yếu trong mạch một chiều . 
 Dùng trong mạch xoay chiều khi tải thuần trở . 
Ứng dụng : 
3. MẠCH TỈ LỆ DÒNG 
 BIẾN DÒNG 
 Chế độ làm việc bình thường là ngắn mạch thứ cấp . 
Lưu ý: 
W 2 
i 2 
W 1 
i 1 
4. MẠCH TỈ LỆ ÁP 
 MẠCH PHÂN ÁP 
 MẠCH PHÂN ÁP ĐIỆN TRỞ. 
 MẠCH PHÂN ÁP ĐIỆN DUNG. 
 MẠCH PHÂN ÁP ĐIỆN CẢM 
5. MẠCH TỈ LỆ ÁP 
 BIẾN ĐIỆN ÁP ĐO LƯỜNG 
 Chế độ làm việc bình thường là hở mạch thứ cấp . 
Lưu ý: 
+ Vc 
- Vc 
Vi - 
Vi + 
i + 
i - 
V 0 
 V i 
R v = ; R r = 0; i - = i + = 0; K h = ; V 0 = K h V i 
IC – I ntegrated C ircuit 
KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN - OAOperational Amplifier 
Đặc tính vào ra của OA 
Khi Vi+>Vi- Vo = + Vc (Vi- = 0) 
Khi Vi+<Vi- Vo = - Vc 	 (Vi- = 0) 
Do OA thực tế không thể có Kh = mà chỉ 104 -:-106 nên tồn tại Vi cỡ vài mV được khuếch đại tuyến tính  
Thực tế người ta không dùng vùng khuếch đại này 
Vi 
Vo 
Vi+ 
Vi- 
 Vi 
- Vc 
+ Vc 
Các chế độ làm việc của OA 
Chế độ tuyến tính ( khuếch đại ): cần có phản hồi âm sâu để giảm hệ số khuếch đại . Nối mạch phản hồi đầu ra về chân đảo 
Luôn có : 	Vi+ = V i- 
	i + = i - = 0 
B. Chế độ xung (on – off) ( Không có phản hồi ) 
	Vi+ > Vi- Vo = + Vc 
	Vi+ < Vi- Vo = - Vc 
C. Chế độ tự dao động:sóng sin, tam giác , răng cưa , chữ nhật  cần có phản hồi dương . Nối mạch phản hồi từ đầu ra về chân không đảo . 
6. MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐO LƯỜNG 
Với công suất ra lớn hơn công suất vào . 
 Nhờ có mạch KĐ, độ nhạy của thiết bị đo được tăng lên rất nhiều , cho phép đo những đại lượng đo rất nhỏ . 
 Mạch KĐ ĐL còn có khả năng mở rộng đặc tính tần số của thiết bị đo và đặc biệt là giảm rất nhiều công sất tiêu thụ của thiết bị đo lấy từ đối tượng đo . 
 Mạch KĐ được thực hiện bằng đèn điện tử , đèn bán dẫn và ngày nay chủ yếu sử dụng vi điện tử . 
MẠCH KHUẾCH ĐẠI LẶP 
Phối hợp tải giữa các tầng với nhau (impedance matching). 
MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐO LƯỜNG 
Hệ số khuếch đại tầng 1: 
Hệ số khuếch đại tầng 2: 
Hệ số khuếch đại cả mạch : 
KHUẾCH ĐẠI ĐIỀU CHẾ 
Để tránh hiện tượng trôi điểm không và sự lệch điện áp ra do sự tăng giảm của nguồn cung cấp ở KĐ một chiều Dùng mạch khuếch đại điều chế . 
MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÁCH LY 
 Ghép biến áp : Điện áp một chiều phải được điều chế thành điện áp xoay chiều với tần số mang đủ cao ( trong dải tần đến 100kHz - điều chế tần số hoặc biên độ ). 
 Ghép quang học : có thể truyền trực tiếp điện áp một chiều . 
Khuếch đại cách ly dùng optron 
7. MẠCH GCTT VÀ TẠO HÀM 
 MẠCH CỘNG 
Tín hiệu ra của mạch cộng đảo 
Tín hiệu ra của mạch cộng không đảo 
MẠCH TRỪ 
Với : 
Trường hợp đặc biệt : 
MẠCH TÍCH PHÂN 
MẠCH VI PHÂN 
MẠCH SO SÁNH 
So sánh một ngưỡng 
SO SÁNH HAI NGƯỠNG ĐỐI XỨNG 
MẠCH TẠO HÀM LOGARIT 
MẠCH TẠO HÀM MŨ 
MẠCH NHÂN 
ln 
ln 
ln 
+ 
exp 
U 1 
U 2 
U ra 
 Phần tử điện động , sắt điện động . 
 Chuyển đổi Hall. 
 Bộ nhân điện tử . 
MẠCH CHIA 
ln 
ln 
ln 
- 
exp 
U 1 
U 2 
U ra 
 CCCT lôgômét . 
 Dựa trên cầu cân bằng . 
 Bộ chia điện tử . 
8. MẠCH CẦU ĐƠN 
U 
 R1 
 R2 
 R4 
 R3 
A 
B 
C 
D 
Điều kiện cân bằng cầu 
U CD = 0 
Thường khi chế tạo , người ta cố gắng sao cho : 
R 10 = R 2 =R 3 =R 4 =R 0 
Mạch cầu rất quan trọng trong kĩ thuật đo lường điện 
9. MẠCH CHUYỂN ĐỔI A/D 
U(t ) 
1001 
1101 
1011 
1001 
0101 
0011 
0101 
Un 
Tín hiệu liên tục 
Tín hiệu số 
ADC 
T 
T gọi là chu kì lấy mẫu hay chu kì chuyển đổi 
 Chuyển từ tín hiệu tương tự thành tín hiệu số 
 Ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật nay 
DAC- Digital to Analog Convertor : Chuyển đổi số-tương tự 
DAC 
N bit 
U(t ) 
0000 
0001 
0010 
0011 
0100 
0101 
0110 
0111 
1000 
1001 
1010 
1011 
1001 
0111 
U(t )=Un 
nT 
 U 
U(t ) 
Un 
Mong muốn là U(t ), nhưng thực tế chỉ có Un 
Un U(t ) khi U 0, nghĩa là số bit phải rất lớn 
10. MẠCH CHUYỂN ĐỔI D/A 
 Chuyển từ tín hiệu số thành tín hiệu tương tự 
 Ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật nay 
 Nếu ta gọi trị toàn giai là V FS thì bit LSB và bit MSB có giá trị : 
HỆ THỐNG ĐK DÙNG VI XỬ LÝ 
BÀI TẬP 
BÀI 1: Một ampe kế dùng cơ cấu đo từ điện có R CT =99 ohm, dòng điện làm lệch kim tối đa Imax = 100mA. Rsun = 1 ohm, Tính dòng điện đi qua ampe kế khi : 
Kim lệch tối đa .( D= Imax) 
D1= 0,5D 
D2=0,25D 
I CT 
I 
R S 
r CT 
I S 
BÀI TẬP 
BÀI 2: Một cơ cấu đo từ điện có R CT =1 KOhm , dòng điện làm lệch kim tối đa Imax = 100uA. Tính Rsun để cơ cấu tạo thành ampe kế đo được dòng điện đi qua ở: 
100mA = Tầm đo 1 
Tầm đo 2= 1A 
I CT 
I 
R S 
r CT 
I S 
BÀI TẬP 
BÀI 3: Một cơ cấu đo từ điện có RCT=1 KOhm , dòng điện làm lệch kim tối đa Imax = 100uA. Tính Rsun để cơ cấu tạo thành ampe kế đo được dòng điện đi qua ở: 
Tầm đo 1= 100A 
Tầm đo 2= 1A 
Tầm đo 3= 100mA 
I CT 
I 
R S1 
I 1 
I 2 
I 3 
R S2 
R S3 
r CT 
BÀI TẬP 
BÀI 4: Một ADC 12 bit, điện áp tham chiếu V ref =4,095 V. 
Độ phân giải của ADC =? 
Nếu đầu ra thu được 0001 1001 1001 thì điện áp đầu vào U V = ? 
Nếu điện áp đầu vào 3V thì đầu ra của bộ ADC thu được giá trị =? 
ADC 
12 BIT 
U V 
U REF 
D 0 
D 11 
D 1 
.