Bài gia Đo lường điện - Bài 3: Cơ sở kỹ thuật đo lường số - Mai Quốc Khánh

â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 1/42
Bài 3
Cơ sở kỹ thuật đo lường số
Mai Quốc Khỏnh
Khoa Vụ tuyến điện tử
Học viện KTQS
Mụn học: Đo lường điện
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 2/42
Nội dung
1. Khỏi niệm cơ bản trong kỹ thuật đo 
lường số
2. Sơ đồ chức năng và cỏc khối chức năng 
cơ bản của mỏy đo lường số
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 3/42
Yờu cầu 
với kỹ thuật đo lường hiện đại
 Số đại lượng đo tăng nhanh
 Cần đo nhiều đại lượng đồng thời
 Thông tin đo và cần xử lý lớn
 Cần lưu giữ và truyền đi xa
Kỹ thuật đo lường số cú thể đỏp ứng những 
yờu cầu trờn (trong khi kỹ thuật đo lường 
tương tự khụng đỏp ứng được)
Vớ dụ 1: Một hệ thống thụng tin đo lường nhiều kờnh (1) – (2) – (3)Bộ
 m
ụ
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 4/42
Ưu điểm của kỹ thuật đo lường số
 ĐCX cao
 Độ nhạy lớn
 Không có sai số do người đo
 Tốc độ đo cao
 Tự động hoá hoàn toàn quá trình đo
 Kết quả đo dạng số phù hợp với truyền đi xa, 
lưu giữ, xử lý tiếp 
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 5/42
Phần I
Những khỏi niệm cơ bản trong 
kỹ thuật đo lường số
1. Hệ đếm và mó dựng trong kỹ thuật đo lường số
2. Mỏy đo lường số và quỏ trỡnh số hoỏ
3. Sai số của mỏy đo lường số
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 6/42
Hệ đếm và mó 
dựng trong kỹ thuật đo lường số
 Hệ đếm: tập hợp các ký hiệu ở dạng chữ số để biểu diễn 
thông tin số lượng.
 Phân loại:
Hệ đếm không vị trí: trị số của ký hiệu không phụ
thuộc vị trí
Hệ đếm vị trí: trị số của ký hiệu phụ thuộc vị trí của nó
 Cỏc hệ đếm thụng dụng:
Hệ đếm 1 (1) không vị trí 
 VD: số 5 N(1) = 11111
Hệ đếm 2 (0 và 1) vị trí
Hệ đếm 10 (0, 1, 2,....,9) vị tríBộ
 m
ụ
LT
M
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 7/42
Hệ đếm và mó 
dựng trong kỹ thuật đo lường số
-1 -2 0 1
-1 1
1
...
0 ( -1)
m
m m i
m m i
i
i
N h
N a h a h a h a h
v h
i
m
a h
−
=
= + + + =∑
Biểu diễn một số bất kỳ trong hệ đếm 
ới - hệ đếm 
 - thứ tự hàng 
 - thứ tự hàng lớn nhất 
 nhận các giá trị từ đến 
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 8/42
Hệ đếm và mó 
dựng trong kỹ thuật đo lường số
 Mó: lượng thụng tin được biểu 
diễn trong một hệ đếm theo 
một qui luật nhất định
 Cỏc mó thường dựng trong 
KTĐLS:
 Mó 1
 Mó 2
 Mó 10
 Mó 2-10
 Mó Gray
0 1 1 1
0 1 1 1
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 1 1
Tạo mó Gray từ mó 2 
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 9/42
Mó 2, mó 10 và mó Gray
Mó 10 Mó 2 Mó Gray
0 0000 0000
1 0001 0001
2 0010 0011
3 0011 0010
4 0100 0110
5 0101 0111
6 0110 0101
7 0111 0100
8 1000 1100
9 1001 1101
Đĩa mó dựng để đo gúc
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 10/42
Mỏy đo lường số 
và quỏ trỡnh số hoỏ
 Mỏy đo lường số: mỏy đo tự động đưa ra cỏc tớn hiệu 
rời rạc về thụng tin đo lường và giỏ trị của thụng tin đo 
lường được biểu diễn dưới dạng số
 Quỏ trỡnh số hoỏ thụng tin đo lường bao gồm:
Rời rạc hoỏ: biến đổi thụng tin liờn tục thành đại 
lượng rời rạc
Mó hoỏ: biểu diễn đại lượng rời rạc dưới dạng mó
 Quỏ trỡnh rời rạc hoỏ cú thể là:
Lượng tử hoỏ theo giỏ trị
Rời rạc hoỏ theo thời gianBộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 11/42
Lượng tử hoỏ theo giỏ trị
Xi
X2
X1
t
X(t)
Xn
∆Xk
( )
. 1, 2,....
∆
= ∆ =
 được thay bằng các 
giá trị cách nhau một 
bước lượng tử 
 (với )
k
n k
X t
X
X n X n
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 12/42
Rời rạc hoỏ theo thời gian
Xi
X2
X1
t1
t
X(t)
t2 ti
Xn
tn
1 2
1
( )
, , ...,
−
∆
∆ = −
 được thay bằng các 
giá trị ứng 
với các thời điểm cách nhau 
một bước gián đoạn 
n
i i
X t
X X X
t
t t t ∆t
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 13/42
Sai số của mỏy đo lường số
 Sai số của MĐLS phụ thuộc:
Sai số của cỏc bộ phận
Mối liờn hệ giữa cỏc bộ phận
 Sai số đặc trưng cho mỏy đo lường số là sai 
số lượng tử gõy ra do quỏ trỡnh rời rạc hoỏ 
làm mất thụng tin
 Sai số lượng tử bao gồm:
Sai số khi lượng tử hoỏ theo giỏ trị
Sai số khi lượng tử hoỏ một khoảng thời gianBộ
 m
ụn
LT
M
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 14/42
Sai số khi lượng tử 
hoỏ giỏ trị
Xi
X0
Xi-1
t0
t
X(t)
0 0
max
Sai số lượng tử tuyệt đối gặp phải khi đo 
đại lượng : 
Trị số lớn nhất của sai số lượng tử: 
Sai số lượng tử tương đối: 
 .100 %
Sai số lượng tử tương 
i
k
X X X X
X X
X
X
σ
∆ = −
∆ = ∆
∆
= ±   
max
ax
đối cực đại:
 .100 %
 .100 %
.
1
 .100 %
Để giảm sai số lượng tử cần có 
 lớn, hay cần giảm độ lớn của 
bước lượng tử 
m
k
k
k
X
X
X
N X
N
N
X
σ
∆
= ±   
∆
= ±   ∆
= ±   
∆
∆Xk
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 15/42
Sai số khi lượng tử hoỏ 
một khoảng thời gian
 Thụng thường, lượng tử hoỏ một khoảng thời gian Tx 
là làm đầy khoảng thời gian đú bằng dóy xung cú chu 
kỳ biết trước T0
Xung KĐ Xung Tắt
∆t1 ∆t2
T0
TN
TX
 Để giảm sai số 
lượng tử khi lượng 
tử hoỏ một khoảng 
thời gian, cần tăng 
số bước lượng tử, 
tức là tăng tần số 
f0=1/T0 của dóy xung 
dựng để lượng tử 
hoỏ Bộ
m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 16/42
Phần II
Sơ đồ chức năng và cỏc khối chức 
năng cơ bản của MĐLS
1. Sơ đồ cấu trỳc của phương tiện đo số
2. Bộ biến đổi tương tự-tương tự
3. Bộ biến đổi tương tự-số
4. Bộ biến đổi số-tương tự
5. Bộ biến đổi mó-mó
6. Hiển thị trong kỹ thuật đo lường số
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 17/42
Sơ đồ cấu trỳc 
của phương tiện đo số
Sơ đồ biến đổi thẳng và sơ đồ biến đổi cõn bằng
Biến đổi 
TT-TT
Biến đổi 
TT-S
Biến đổi 
Mó
Hiển thị
số
X Y N
Biến đổi 
TT-TT
Biến đổi 
TT-S
Biến đổi 
Mó
Hiển thị
số
∆X Y N
Biến đổi 
S-TT
X
X’
Bộ
 m
ụn
LT
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 18/42
Bộ biến đổi tương tự-tương tự
 Biến đổi cỏc đại lượng tương tự (khú xử lý số 
trực tiếp) về cỏc đại lượng tương tự khỏc 
(thuận tiện cho quỏ trỡnh xử lý số tiếp theo)
 Đầu vào là một đại lượng tương tự, đầu ra 
cũng là một đại lượng tương tự khỏc
 BBĐTT-TT rất đa dạng, sau đõy xột một vớ dụ:
Bộ biến đổi điện ỏp-tần số
Bộ
 m
ụ
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 19/42
Bộ biến đổi điện ỏp-tần số
 BBĐ điện ỏp-tần số biến đổi điện ỏp một chiều đầu vào thành dóy 
xung đầu ra cú tần số tỉ lệ với điện ỏp đú
So 
sỏnh
Phản hồi
xung
R1
R2
C
K
UX
(đầu vào)
U0
UPHX URA
fx (đầu ra)
Bộ
m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 20/42
Bộ biến đổi điện ỏp-tần số 
(tiếp theo)
TPH TTP
TX
UTP(t)
UPHX(t)
URA(t)
t
t
t
U0
UPH
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 21/42
Bộ biến đổi 
điện ỏp-tần số
(tiếp theo)
( )
1 2 10 0
1 2 1
1 2
1 2
1 1 1
1
1 1 ;
Điện áp từ hai lần tích phân của một chu kỳ:
Ta có:
 với 
TP PHT T
x PH x
TP PH PH
x PH x
PH
TP PH x PH
x x PH PH x TP PH
U dt U U dt
R C R C R C
T T TU U U
R C R C R C
TT T U U
R C R C
T U T U T T T
R C R C
 
= − 
 
= −
+ =
= = +
∫ ∫
2
1
2
1
1
;
 với 
Tần số lặp lại của dãy xung ở đầu ra tỉ lệ với
điện áp một chiều ở đầu vào
x
x PH PH
x x
PH PH
x
R U
T R T U
Rf KU K
R T U
U
=
= =
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 22/42
Bộ biến đổi tương tự-số
 Biến đổi cỏc đại lượng tương tự thành đại lượng số
ở đầu ra
 Là bộ biến đổi cơ bản nhất trong KTĐLS
 Đầu vào là một đại lượng tương tự, đầu ra là một 
đại lượng số
 Rất đa dạng, xột một số vớ dụ:
Cỏc bộ biến đổi tương tự-số khụng gian (BBĐ 
chiều dài-mó và BBĐ gúc-mó)
Bộ biến đổi thời gian-mó
Bộ biến đổi điện ỏp-móBộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 23/42
Bộ biến đổi chiều dài-mó
 Biến đổi chiều dài về mó
 Tấm cỏch điện cú phủ một lớp dẫn điện theo một 
mó nào đú
 Lấy thụng tin ra bằng hệ thống chổi quột, số chổi 
quột bằng số hàng của mó cần lấy ra
 Thường sử dụng Mó Gray
Mó N
HT 
chổi quột
Thước mã 
Mó ra
. kl N l= ∆Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 24/42
Bộ biến đổi gúc-mó
Đốn chiếu sỏng Đĩa mó
Thấu kớnh HT tế bào 
quang điện
Đĩa mó
Mó N
. kNα α= ∆
 Biến đổi gúc quay thành mó
 Đĩa mó phủ lớp sơn đặc biệt theo một mó 
nào dú
 Lấy thụng tin ra bằng hệ thống quang học
 Thường sử dụng Mó GrayBộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 25/42
Bộ biến đổi thời gian-mó
TXC K BĐX
Trigơ
XKĐ
XT
TX
NX 
(đầu ra)
TX (đầu vào)
T0=1/f0
0
0
.xx x
TN f T
T
= =
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 26/42
Bộ biến đổi thời gian-mó
(tiếp theo)
Xung KĐ Xung Tắt
T0
TX
UTXC
UTR
UBĐX
UĐK
t
t
t
t
NX
0
0
.xx x
TN f T
T
= =
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 27/42
Bộ biến đổi điện ỏp-mó
So sỏnh TXRC
Tri gơ
K BĐXTXC
Ux
(đầu 
vào)
XKĐ
XT
TX NX 
(đầu ra)
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 28/42
Bộ biến đổi điện ỏp-mó (tiếp theo)
Xung KĐ Xung Tắt
T0
TX
UTXC
UTR
UBĐX
UĐK
t
t
t
t
NX
UTXRC
Ux
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 29/42
Bộ biến đổi điện ỏp-mó
(tiếp theo)
0
0
1 .
.
.
Điện áp răng cưa: 
Tại , có 
Do vậy, 
Mã đầu ra: 
Do đó, với 
RC
x RC x
x x x
x x
x x
U at
t T U U
U at T U
a
N f T
fN K U K
a
=
= =
= ⇔ =
=
= =
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 30/42
Bộ biến đổi số- tương tự
 Biến đổi ngược đại lượng số thành đại lượng tương tự
ở đầu ra
 Là bộ biến đổi cơ bản nhất cần thiết trong cỏc sơ đồ 
biến đổi cõn bằng
 Đầu vào là đại lượng số, đầu ra là một đại lượng 
tương tự
 Đa dạng, xột một số vớ dụ:
Bộ biến đổi mó-thời gian
Bộ biến đổi mó-điện ỏp
Bộ biến đổi mó-điện trởBộ
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 31/42
Biến đổi mó-thời gian
BĐX
Thuận-Nghịch
K TXC
Trigơ
XT XKĐ
TX
(đầu ra)
T0=1/f0
NX
(đầu vào)
0.
x
x
Đại lượng đầu vào là mã N
Đại lượng đầu ra là khoảng thời gian T của xung trigơ
 x xT T N=Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 32/42
Bộ biến đổi mó-điện ỏp
N0 N1 NX
(đầu vào)
Nn
Ura
R R R R R 3R/4
R/2 R/2 R/2 R/2 R/4
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
E0
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 33/42
Bộ biến đổi mó-điện ỏp
(tiếp theo)
10 0
1
( )
2 .
2 2
Nếu điện trở tải của BBĐ là rất lớn , ta có:
 , với 
N
m
i i
RA RA xm m
i
R
E EU a U K N K−
=
= ∞
= ⇔ = =∑
Điện ỏp ra tỉ lệ với mó Nx cần biến đổi
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 34/42
Biến đổi mó-điện trở
N0 N1 Nn
NX 
(đầu vào)
RX
(đầu ra)
20∆R 21∆R 2n-1∆R
1
1
. 2
.
Điện trở đầu ra của BBĐ: 
Như vậy, , với (hằng số)
m
i i
x
i
x x
R R a
R K N K R
−
=
= ∆
= = ∆
∑
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 35/42
2 10Đầu vào là Mã 2 (N ), đầu ra là Mã 10 (N )
Ban đầu BĐX nghịch được nạp mã 2, còn BĐX thuận được thiết lập về 0
Quá trình đếm giảm dần xảy ra ở BĐX nghịch mã 2
Quá trình đếm tăng dần xảy ra ở BĐX thuận m
(10) (2)
ã 10
Khi BĐX nghịch về 0, cả hai BĐX ngừng đếm
Quá trình đếm tăng dần xảy ra ở BĐX th
ra vàoN N=
Bộ biến đổi mó-mó
 Biến đổi từ mó này sang mó khỏc.
 Đa dạng, xột một vớ dụ:
 Bộ biến đổi từ mó 2 thành mó 10 (thõn thiện với người dựng 
hơn) 
Bộ
 m
ụn
LT
M
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 36/42
Bộ biến đổi mó-mó (tiếp theo)
BĐX Nghịch
Mó 2
K TXC
TrigơXT XKĐ
T0=1/f0
N2 (đầu vào)
BĐX Thuận
Mó 10
N10 (đầu ra)Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 37/42
Hiển thị trong kỹ thuật đo lường số
 Ba loại hiển thị:
Hiển thị 7-8 đoạn bằng LED
Hiển thị bằng màn hỡnh tinh thể lỏng LCD
Hiển thị bằng đốn sợi đốt hoặc đốn cú khớ 
(hiện nay ớt dựng) 
Bộ
 m
ụ
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 38/42
Hiển thị bằng đốn sợi đốt 
hoặc đốn cú khớ
Xắp xếp đốn sợi đốt 
Đốn cú khớ 
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 39/42
Hiển thị bằng đốn LED
A B C D E F G DP
Đốn LED 
BCD – 7 segment DecoderBộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 40/42
Hiển thị bằng LCD (tiếp theo)
 Vớ dụ: Mỏy hiệu chuẩn mạch 
vũng (Loop Calibrator) của hóng 
Fluke
Cấu tạo của LCDCấu tạo của LCDBộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 41/42
Một số thiết bị đo lường số
Light Meter
Magnetic Field 
Meter
Sound Level MeterWind Speed 
Meter
Handheld Digital 
Oscilloscope
Network Analyzer
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L
â Mai Quốc Khỏnh - 04/2010 42/42
VÀ CUỐI CÙNG LÀ ...

CẢM ƠN
Bộ
 m
ụn
 L
TM
-Đ
L