›
›

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

Download
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:  
q
1
•
Vi = Nq   
V = N(1mV) mV  
i
2
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 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 <Va :V0<0:đếm xuống  
• Tín hiệu vào được biểu  
thị bằng số xung đếm ở  
ngõ ra của bộ đếm.Tín  
hiệu analog Va phụ  
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 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
i  
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 cò n  
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
i
.  
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 V  
i
V = RI ref → f1 = =  
i
•
Như vậy:  
T
T RI refT2  
1
1
V
1
imax  
f1max =  
=
• Thông thường ta chọn Vimax = RIref, nên:  
RI refT2 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 V  
i
f1 = =  
T RI refT2  
1
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 = 2nT2  
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 :  
V0 = q(bn−1.2n−1 +bn−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 = 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  
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  
k3  
S2  
k2  
S1  
k1  
S0  
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  
2n−1R  
Vref  
(MSB): I3 = 23;(LSB)I0 = 20  
23 R 23 R  
Vref  
Ik = Iref bk .2k ;Iref =  
• (Ví dụ : Với n = 4 , khi bít b3 (MSB) = 1, k3 đóng vào S3 dò ng I3;  
khi bí t b0 (LSB) = 1, k0 đóng vào S0 dò ng I0 ).  
S3  
k3  
S2  
k2  
S1  
k1  
S0  
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  
23 R  
Vref  
23 R  
I2 = 22; I1 = 21  
• Điện áp ra V0 của bộ biến đổi:  
Vref Rf  
Vref Rref  
V0 = −  
(
0+ 22 + 21 +0  
)
= q.N; q = −  
23 R  
23 R  
2.Bộ biến đổi bằng phân áp R-2R bậc thang  
S0  
k0  
S1  
k1  
S2  
k2  
S3  
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 .  
Tải về để xem bản đầy đủ
ppt 39 trang Thùy Anh 27/04/2022 7960
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Đo điện tử - Chương 8: Thiết bị đo chỉ thị số", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pptbai_giang_do_dien_tu_chuong_8_thiet_bi_do_chi_thi_so.ppt