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, V_imax= 8mV, đơn vị lượng hóa q = 8mV/2³= 1mV

• Với V_ibất kỳ < 8mV được biểu diễn dưới dạng số thỏa mãn:

q

1

•

V_i= Nq 

V = N(1mV)  mV

i

2

V = 3mV = 011(1mV)  0,5mV

i

V = 6mV =110(1mV)  0,5mV

i

1V

7/8

1V

111

7q = 7/8V

111

7q = 14/15V

13/15

110 6q = 12/15V

101 5q = 10/15V

110

101

6q = 6/8V

5q = 5/8V

6/8

5/8

11/15

9/15

7/15

100

011

4q = 4/8V

3q = 3/8V

100 4q = 8/15V

4/8

3/8

011

3q = 6/15V

5/15

3/15

010

001

2q = 2/8V

1q = 1/8V

010 2q = 4/15V

2/8

001 1q = 2/15V

000 0q = 0V

1/8

0

1/15

0

000

0q = 0V

H.a

H.b

• Ví dụ: Ta biến đổi tín hiệu áp 0 - 1V thành tín hiệu số nhị phân

3 bí t. -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 t_cphụ

thuộc số bít :

t_c= nT_h

Trong đó T_hchu 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:

• V_i>V_a:V₀>0: đếm lên

• V_i<V_a:V₀<0:đếm xuống

• Tín hiệu vào được biểu

thị bằng số xung đếm ở

ngõ ra của bộ đếm.Tín

hiệu analog V_aphụ

thuộc số xung đếm này.

Khuyết điểm : vận tốc

biến đổi chậm, trị số chỉ

thị chỉ gần đúng.

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 V_ilớn hơn

hay nhỏ hơn tín

hiệu ra V_asẽ

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_i

Ví dụ: Khi có tín hiệu vào V_isẽ 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 V_a.Khi tín hiệu V_icò n

lớn hơn V_athì 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^’_atiếp tục

so sánh với V_i, nếu V_i=V^’_athì 110 được giữ lại và cho ra kết quả.

Nếu V_i> V^’_athì SAR tăng lên 111. Nếu V_i< V^’_athì SAR giảm

xuống 101, trị số 101 đưa vào bộ D/A để có V^”_a, nếu V^”_a= V_itrị

số 101 được giữ lại và cho ra kết quả.

Ngược lại V_i< V_akhi SAR bắt đầu từ 100 thì SAR sẽ cho ra 010,

sau khi qua bộ D/A để có V^’_anếu V_i> V^’_athì SAR xuất ra 011 ,

nếu bộ D/A cho ra V^”_a= V_ithì 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 V_i

,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 V_i

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= 2ⁿT_h: mạch

tích phân nạp điện áp V_i.

• t₁cố định khi n,T_hđịnh trước

• Giai đoạn t₂= NT_h: mạch tích

phân nạp điện áp -E_R.

• E_R: Điện áp chuẩn

• N số xung đếm được ở giai

đoạn này

• Tín hiệu vào V_i= E_R(t₂/t₁)

• Hay: V_i= E_R(N /2ⁿ)

Nếu V_imax= E_Rkhi đó N_max= 2ⁿ

Ưu điểm: chu kỳ xung clock

không ảnh hưởng đến kết

quả đo V_i.

5.Bộ biến đổi điện áp - tần số (VCF)

• Mạch tích phân nạp điện trong thời gian T₁với điện áp vào V_i

và xả điện với dòng điện chuẩn I_reftrong thời gian T₂giống

như mạch tích phân 2 độ dốc.

T₂

1 V

i

V = RI _ref→ f₁= =

i

•

Như vậy:

T

T RI _refT₂

1

V

1

imax

f_1max=

=

• Thông thường ta chọn V_imax= RI_ref, nên:

RI _refT₂T₂

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 f₁như tính ở trên:

1 V

i

f₁= =

T RI _refT₂

1

Nếu dùng phương pháp đo tần số f₁bằng cách đếm xung (máy

đếm tần số) thì dung lượng bộ đếm tương ứng với tần số f_1max:

2ⁿ= f_1maxxT₃; T₃:thời gian đếm xung; mà f_1max= 1/T₂nên :

T₃= 2ⁿT₂

T₂được xác định bởi phần tử điện trở và tụ điện của mạch đa hài

1 trạng thái bền. Như vậy T₃không đổi khi dung lượng bộ đếm và

T₂được chọn trước , cho nên số xung N được đưa vào bộ đếm

phụ thuộc vào điện áp ngõ vào V_ixác 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:

V₀= q(b_n−1.2ⁿ⁻¹+b_n−2.2ⁿ⁻²+...+b .2¹+b₀.2⁰) = q.N

1

Trong đó N là số nhị phân n bít được biểu diễn dưới

dạng:

N = b_n−1b_n−2...b₁b₀

b_n-1là MSB; b₀là 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

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.

Hình 13.20: Sô ñoà khoái cuûa maïch bieán ñoåi D/A

• Khóa điện tử sẽ nối mạch

phân áp với điện áp chuẩn

V_refhoặc điện áp 0 (mass).

1.Bộ biến đổi bằng dòng điện bậc thang

S₃

k₃

S₂

k₂

S₁

k₁

S₀

k₀

• Các bít nhị phân b_kđiều khiển sự chuyển mạch của các khóa

khóa k. Các khóa k đóng vào các vị trí S₃,S₂,S₁,S₀khi tín hiệu

số có bít tương ứng b_k= 1 và đóng vào mass khi bit b_k= 0.

Dòng điện đi qua khóa k có dạng:

•

V_ref

2ⁿ⁻¹R

V_ref

(MSB): I₃= 2³;(LSB)I₀= 2⁰

2³R 2³R

V_ref

I_k= I_refb_k.2^k;I_ref=

• (Ví dụ : Với n = 4 , khi bít b₃(MSB) = 1, k₃đóng vào S₃dò ng I₃;

khi bí t b₀(LSB) = 1, k₀đóng vào S₀dò ng I₀).

S₃

k₃

S₂

k₂

S₁

k₁

S₀

k₀

• Ví dụ số nhị phân N = 0110 thì k₃,k₀ở vị trí mass còn k₂,k₁ở vị

trí S₂,S₁sẽ có dòng I₂, I₁.

V_ref

2³R

V_ref

2³R

I₂= 2²; I₁= 2¹

• Điện áp ra V₀của bộ biến đổi:

V_refR_f

V_refR_ref

V₀= −

(

0+ 2²+ 2¹+0

)

= q.N; q = −

2³R

2.Bộ biến đổi bằng phân áp R-2R bậc thang

S₀

k₀

S₁

k₁

S₂

k₂

S₃

k₃

f

R

Analog

• Ph.ph. Lượng hóa mã nhị phân bằng phân áp R-2R bậc thang.

• Các bít nhị phân b_kđiều 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): k₃ở S₃; k₂ở mass; k₁ở mass; (LSB): k₀ở S₀.