Đo gó pha_chương 11

- Góc pha cùng với tần số và biên độ là một thông số cơ bản của quá trình dao động:.
- ω là tần số góc của dao động.
- (ωt + ϕ) là pha của dao động, trong đó ϕ - góc lệch pha ban đầu là đại lượng không đổi, còn ωt là đại lượng thay đổi theo thời gian..
- Thông thường người ta đo góc lệch pha giữa hai dao động x 1 và x 2 có tần số như nhau:.
- Trong trường hợp này góc lệch pha sẽ bằng hiệu giữa hai thành phần pha ban đầu không đổi của hai tín hiệu:.
- ϕ = ϕ 1 - ϕ 2 nó không phụ thuộc vào mốc tính thời gian..
- Nếu như hai tần số ω 1 và ω 2 là bội số của nhau thì góc lệch pha sẽ được tính từ một trong hai công thức sau đây:.
- Đối với các tín hiệu đa hài thì thì góc lệch pha ϕ được coi như góc lệch giữa các sóng hài bậc một.
- Đối với các tín hiệu phức tạp hơn, ví dụ tín hiệu xung chẳng hạn thì người ta không nói đến góc lệch pha mà đưa ra khái niệm về độ lệch thời gian: là khoảng thời gian giữa các thời điểm khi mà tín hiệu vượt qua một mức nhất định nào đó (ví dụ mức không chẳng hạn)..
- Còn độ lệch thời gian được đo bằng giây (s)..
- Thường gặp trường hợp cần đo góc lệch pha giữa hai tín hiệu có cùng tần số trong khoảng từ .
- Có nhiều phương pháp đo góc lệch pha:.
- Dựa vào cách lấy thông tin đo: có thể chia thành phương pháp sử dụng thông tin khi tín hiệu vượt qua một mức nhất định và phương pháp dùng toàn bộ thông tin nhận được..
- Nhóm thứ nhất được sử dụng khi ít nhiễu hay đúng hơn là tỉ số giữa tín hiệu trên nhiễu lớn.
- Nhóm thứ hai được sử dụng khi tín hiệu có nhiễu lớn hay tỉ số giữa tín hiệu trên nhiễu nhỏ..
- Thông thường nhất là dụng cụ sử dụng cơ cấu chỉ thị lôgômét điện động như hình 11.1a:.
- Hình 11.1.
- Ở mạch song song cuộn động 1 được mắc nối tiếp một điện cảm L 1 có dòng đi qua cuộn này là I 1 (H.11.1b), cuộn động 2 được mắc nối tiếp một điện trở R 2.
- F α theo hình 11.1b ta có:.
- β = γ thì từ (11.1) suy ra:.
- Ngoài ra sai số còn phụ thuộc vào tần số vì trong mạch có cuộn cảm..
- Để khắc phục sai số do tần số gây ra ta chia một cuộn thành hai cuộn nối song song với nhau.
- Hình 11.2.
- Fazômét sử dụng cơ cấu chỉ thị lôgômét điện động có thể khắc phục sai số do tần số gây ra.
- Để đo góc lệch pha giữa hai điện áp hình sin ta thực hiện theo sơ đồ hình 11.3a:.
- Hình 11.3.
- a) Sơ đồ khối nguyên lý b) Biểu đồ thời gian.
- Tín hiệu hình sin x 1 và x 2 qua các bộ tạo xung TX 1 và TX 2 .
- Khi tín hiệu đi qua mức "0".
- tạo ra các xung U' 1 và U' 2 (H.11.3b), các xung này được đưa đến đầu vào của Trigơ (S-R)..
- Như vậy các tín hiệu hình sin ở đầu vào nhờ các bộ tạo xung đã biến độ lệch pha thành khoảng thời gian giữa các xung.
- đầu vào của trigơ xuất hiện tín hiệu I Tr ở đầu ra, qua cơ cấu chỉ thị từ điện ta sẽ có một dòng trung bình:.
- với I m : biên độ dòng điện ở đầu ra trigơ T : chu kỳ của tín hiệu.
- dải tần số 20Hz ÷ 200kHz..
- đầu tiên góc lệch pha cần đo giữa hai tín hiệu được biến thành khoảng thời gian..
- Sau đó lắp đầy khoảng thời gian đó bằng các xung với các tần số đã biết trước..
- Các fazômét xây dựng theo nguyên tắc này bao gồm bộ biến đổi góc pha thành khoảng thời gian, bộ biến đổi thời gian - xung, bộ đếm và chỉ thị số..
- Hình 11.4.
- Các tín hiệu x 1 , x 2 có dạng hình sin được đưa vào các bộ tạo xung, các xung xuất hiện khi tín hiệu đi qua mức .
- Khoá K được mở trong khoảng thời gian t x.
- Từ máy phát chuẩn f 0 (có ổn định tần số bằng thạch anh) tín hiệu xung có tần số.
- Ngoài ra còn sai số của việc hình thành và truyền đi khoảng t X và sai số do lượng tử hóa khoảng thời gian t X.
- Nhược điểm: là kết quả đo phụ thuộc vào tần số f X của tín hiệu cần đo.
- Tần số này rất khó giữ ổn định vì vậy fazômét loại này ít được sử dụng mà người ta sử dụng sơ đồ như hình 11.5:.
- Hình 11.5.
- Fazômét chỉ thị số có sai số không phụ thuộc vào các tần số f 0 và f X : a) Sơ đồ khối nguyên lý b) Biểu đồ thời gian.
- Trong sơ đồ này ta thực hiện tính số xung không phải trong một khoảng t X mà trong một số khoảng nằm trong một khoảng thời gian đo khác là t U = kT 0.
- Khoảng thời gian t X được tạo ra bằng một bộ chia tần số, tín hiệu vào bộ chia được lấy từ bộ phát chuẩn f 0 .
- Tín hiệu xung t u được đưa đến mở khoá thứ hai K 2 .
- Các bộ TX 1 , TX 2 , Trigơ, khoá K 1 và bộ phát tần số chuẩn f 0 giống như trên sơ đồ hình 11.4.
- Ở hình 11.5b chỉ rõ biểu đồ thời gian của quá trình làm việc của fazômét.
- Khoảng thời gian t u sẽ mở khoá K 2 và xung từ các khoảng t x nằm gọn.
- Như vậy kết quả đo không còn phụ thuộc vào các tần số f 0 và f X nữa nên sẽ tránh được nhược điểm của sơ đồ ở hình 11.4 vì vậy phép đo sẽ chính xác hơn..
- Chú ý rằng nếu tần số của tín hiệu nhỏ thì khoảng đo sẽ bị hạn chế vì số khoảng t X chứa trong t u nhỏ.
- Để mở rộng khoảng đo thì cần phải tăng khoảng thời gian đo t u .
- Ngược lại nếu tần số của tín hiệu lớn thì sai số lượng tử hoá khoảng thời gian t X tăng lên và tăng sai số của thiết bị..
- Thông thường fazômét loại này làm việc trong khoảng tần số từ một vài Hz đến vài MHz và có sai số cỡ .
- Có sơ đồ nguyên lý như hình 11.6 với điện áp cần đo góc pha là U 2.
- Hình 11.6.
- Hơn nữa nhiều khi cần phải theo dõi sự thay đổi của góc pha theo thời gian.
- Hình 11.7.
- Khi có độ lệch pha giữa các tín hiệu vào sẽ làm xuất hiện tín hiệu ở đầu ra bộ chỉ thị cân bằng và mở khóa K.
- Xung từ máy phát xung nhịp (clock) đi vào bộ phân phối bằng Trigơ lần lượt đưa tín hiệu vào điều khiển các khóa k 1 , k 2 ,...k n làm ngắn mạch một nhóm các quay pha cho đến khi tín hiệu ra ở bộ chỉ thị cân bằng bằng 0..
- Ví dụ fazômét Φ 2-4 có khoảng đo là ± 240 0 với sai số 0,7 0 ở tần số từ 20Hz ÷ 60kHz..
- Với phương pháp biến đổi tần số trung gian có thể mở rộng khoảng tần số của dụng cụ đến 10MHz, nhưng sai số có thể tăng lên dến 2-3 0.
- Sai số của quay pha chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác và ổn định của các phần tử, của tần số làm việc và điện trở tải..
- Loại quay pha điện trở: Loại quay pha điện trở chủ yếu làm việc ở dải tần số thấp (đến tần số âm tần) có sai số đến 0,2 0 .
- Loại quay pha điện cảm: làm việc ở tần số cao hơn từ 100Hz ÷ 1MHz..
- Loại quay pha điện dung: được sử dụng ở khoảng tần số cao hơn, từ hàng chục đến hàng trăm MHz.
- Nhược điểm là sự phụ thuộc giữa tín hiệu ra và tần số.
- Loại LC có thể đạt đựơc độ phân dải đến 0,001 0 trong dải tần số 100Hz ÷10kHz (quay pha số)..
- Đo góc khoảng thời gian..
- Có nhiều bài toán trong kĩ thuật radiô, tự động điều khiển, vật lý thực nghiệm, kỹ thuật tính toán và kỹ thuật xung và các lĩnh vực khác đưa đến việc đo khoảng thời gian trong giới hạn từ 0,1ns đến 100s.
- Các khoảng thời gian thường được biểu thị dưới dạng độ dài xung, độ lệch thời gian giữa các xung, độ dài sườn xung....
- Người ta có thể đo trên ôxilôscôp nhờ vào việc đánh dấu khoảng thời gian cần thiết để so sánh.
- Kĩ thuật đo lường số sử dụng các hệ đếm điện tử để đo khoảng thời gian rỗng với độ chính xác cao.
- Khi đo thời gian cần phải chú ý rằng khoảng thời gian cần đo cho dưới dạng tín hiệu có chu kỳ, không có chu kỳ hay tín hiệu đơn hoặc dưới dạng tín hiệu xung.
- hoặc khoảng thời gian giữa hai mức của một xung..
- Như vậy đối với một máy đếm điện tử để đo thời gian cần phải có hai đầu vào:.
- Trong các bộ tạo xung đầu vào phải cài đặt bộ hiệu chỉnh đặc biệt để có khả năng đo khoảng thời gian giữa hai mức tín hiệu vào..
- Đo khoảng thời gian bằng cách biến đổi thành số xung tỉ lệ với nó:.
- Việc đo khoảng thời gian giữa hai xung của hai đầu vào A và B như hình 11.7..
- Khoảng thời gian khoá K mở bằng khoảng thời gian cần đo t X xung từ máy phát chuẩn f 0 = 1 / T 0 được đưa vào máy đếm qua khoá K trong khoảng thời gian t x .
- Từ đó tính được sai số tương đối của phép đo thời gian như sau:.
- T 0 - chu kì của tín hiệu từ máy phát chuẩn..
- t X - khoảng thời gian cần đo..
- Hình 11.8.
- Sơ đồ khối dụng cụ đo khoảng thời gian giữa hai xung của hai đầu vào A và B.
- Đo khoảng thời gian với sự biến đổi toạ độ thời gian:.
- Nguyên lý hoạt động: giá trị thời gian cần đo t X được biến đổi thành một xung mà biên độ của nó tỉ lệ với độ dài của khoảng thời gian đó..
- Biên độ của xung tiếp theo lại được biến đổi trở lại thành khoảng thời gian t' X.
- nhưng độ dài của nó tỉ lệ với biên độ và bằng k lần lớn hơn độ dài của khoảng thời gian cần đo, tức là:.
- Sơ đồ khối của một máy đo thời gian kiểu này như hình 11.9..
- Các xung mà khoảng thời gian giữa chúng cần phải đo được đưa vào bộ khuếch đại tạo xung (KĐTX 1 , KĐTX 2.
- Như vậy xảy ra sự biến đổi khoảng thời gian thành biên độ.
- Sau đó lại xảy ra quá trình biến đổi từ biên độ thành khoảng thời gian t' X .
- Hình 11.9.
- Sơ đồ khối của một máy đo thời gian theo phương pháp biến đổi toạ độ thời gian.
- với f 0 = 1 / T 0 là tần số của máy phát chuẩn có độ ổn dịnh cao..
- Đặc điểm: ưu điểm của máy đo thời gian điện tử số là có độ chính xác cao và độ tác động nhanh cao.

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt