Đề tài Nghiên cứu thiết kế, chế tạo nguồn chuẩn mức điện áp xoay chiều dùng trong đo lường

în cña ®iÖn ¸p ra phô thuéc vµo chÊt l−îng cña m¹ch æn ¸p 30V vµ 300V. H×nh 1.1. S¬ ®å cÊu tróc nguån chuÈn møc B1 - 4 Trong chÕ ®é xoay chiÒu, ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã tÇn sè 55Hz hoÆc 400Hz (tuú thuéc vµo vÞ trÝ ®¶o m¹ch tÇn sè) ®−îc ®−a ®Õn bé khuÕch ®¹i, sau ®ã qua bé chia ¸p chuÈn ®Ó t¹o ra c¸c møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu tõ 10μV ®Õn 300V Nh−îc ®iÓm cña nguån chuÈn møc nµy lµ ®iÖn ¸p ra cã thÓ bÞ thay ®æi do biÕn ®éng cña t¶i vµ do t¸c ®éng cña nhiÖt ®é nªn thiÕt bÞ nµy cã ®é chÝnh x¸c thÊp. 1.4.2 Nguån chuÈn møc B1-8 Nguån chuÈn møc B1-8 còng t¹o ra ®iÖn ¸p mét chiÒu hoÆc xoay chiÒu trong d¶i tõ 10μV ®Õn 300V. §ång thêi thiÕt bÞ cã thÓ chØ thÞ trùc tiÕp sai sè t−¬ng ®èi cña v«n mÐt cÇn kiÓm ®Þnh. Sai sè thiÕt lËp ®iÖn ¸p mét chiÒu lµ 0,2% vµ sai sè thiÕt lËp ®iÖn ¸p xoay chiÒu lµ 0,3%. §©y lµ nguån chuÈn møc ®−îc x©y dùng theo ph−¬ng ph¸p cÊu tróc m¹ch kÝn cã håi tiÕp. S¬ ®å cÊu tróc cña nguån chuÈn møc nµy ®−îc thÓ hiÖn ë h×nh 1.2. Khèi t¹o dao ®éng ChuyÓn thang tÇn sè KhuÕch ®¹i Bé chia ¸p chuÈn æn ¸p chuÈn 300V æn ¸p chuÈn 30V V«n mÐt mÉu §iÒu chØnh ®iÖn ¸p ra Uk 8 H×nh 1.2 S¬ ®å cÊu tróc nguån chuÈn møc B1.8 Nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña nguån chuÈn møc B1-8 còng t−¬ng tù nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña nguån chuÈn møc B1-4, chØ kh¸c lµ cã thªm bé chia ¸p håi tiÕp ®Ó ®−a mét phÇn ®iÖn ¸p ra trë l¹i so s¸nh víi ®iÖn ¸p mÉu. §iÖn ¸p mang th«ng tin vÒ sai lÖch gi÷a hai ®iÖn ¸p nµy sÏ ®−a ®Õn ®iÒu khiÓn m¹ch dao ®éng, lµm thay ®æi biªn ®é dao ®éng ®Ó gi÷ cho ®iÖn ¸p ra lu«n æn ®Þnh. Biªn ®é ®iÖn ¸p ra cã thÓ thay ®æi ®−îc 10% so víi gi¸ trÞ ®Æt nhê thay ®æi ®iÖn ¸p mÉu. Tõ s¬ ®å cÊu tróc ta nhËn thÊy: Uht = UmÉu, mµ Uht = Uk / Kht do ®ã: Uk = Kht . Uht = Kht . UmÉu (1.8) Do vËy sai sè thiÕt lËp ®iÖn ¸p ra phô thuéc vµo sai sè thiÕt lËp ®iÖn ¸p mÉu, sai sè hÖ sè chia Kht cña bé chia håi tiÕp, sai sè cña m¹ch t¸ch sãng vµ ®é nh¹y cña m¹ch t¸ch sãng. 1.4.3 Nguån chuÈn møc Fluke 5700 Thêi gian gÇn ®©y, nhê øng dông kü thuËt sè vµ kü thuËt vi xö lý trong thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c nguån chuÈn møc nªn ®é chÝnh x¸c cña chóng ®· ®−îc n©ng cao ®¸ng kÓ. MÆt kh¸c nã cã thÓ chØ thÞ trùc tiÕp gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ®Æt, ®iÖn Khèi dao ®éng ChuyÓn thang tÇn sè KhuÕch ®¹i Bé chia ¸p chuÈn So s¸nh §iÖn ¸p mÉu BiÕn ®æi ®iÖn ¸p §iÒu chØnh ®iÖn ¸p ra T¸ch sãng æn ¸p 30V VonmÐt mÉu Chia ¸p håi tiÕp Uk UmÉu Uht 9 ¸p ra. Ngoµi ra trong mét thiÕt bÞ cã thÓ kÕt hîp nhiÒu chÕ ®é chuÈn kh¸c nhau nh− dßng, ¸p mét chiÒu, xoay chiÒu vµ chuÈn ®iÖn trë. Nguån chuÈn Fluke 5700 cã thÓ t¹o chuÈn ®iÖn ¸p tõ 10nV ®Õn 1200V xoay chiÒu, tÇn sè ®Õn 30MHz khi ch−a dïng khèi phô (khèi më réng tÇn sè). S¬ ®å cÊu tróc ®¬n gi¶n cña nguån chuÈn Fluke 5700 ®−îc m« t¶ trªn h×nh 1.3 m H×nh 1.3 S¬ ®å cÊu tróc nguån chuÈn møc Fluke 5700 VÒ c¬ b¶n thµnh phÇn theo s¬ ®å cÊu tróc cña nguån Fluke 5700 bao gåm c¸c khèi sau: bé dao ®éng, suy gi¶m, bé chia ®Çu ra, bé chia håi tiÕp, bé t¸ch sãng, bé biÕn ®æi t−¬ng tù - sè (A/D), khèi vi vö lý, khèi ®Æt m· bµn phÝm, khèi chØ thÞ vµ khèi nguån nu«i. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña nã còng lµ d¹ng cã cÊu tróc m¹ch kÝn, trÝch mét phÇn ®iÖn ¸p ra ®Ó so s¸nh víi ®iÖn ¸p mÉu (m· ®iÖn ¸p ®Æt so s¸nh víi m· ®iÖn ¸p håi tiÕp sau biÕn ®æi A/D) nh»m môc ®Ých æn ®Þnh biªn ®é ®iÖn ¸p ra. Bé dao ®éng sö dông ph−¬ng ph¸p tæ hîp tÇn sè dao ®éng th¹ch anh 5MHz nhê cã c¸c phÐp céng trõ nh©n chia tÇn sè. Do vËy tÇn sè dao ®éng cã ®é chÝnh x¸c vµ ®é æn ®Þnh rÊt cao. TÇn sè ®iÖn ¸p ra do phÇn vi xö lý ®iÒu khiÓn tuú theo tÇn sè ®Æt. Dao ®éng Suy gi¶m KhuÕch ®¹i Bé chia ®Çu ra ChØ thÞ Khèi vi xö lý BiÕn ®æi A/D T¸ch sãng Bé chia håi tiÕp §Æt m· bµn phÝm Nguån nu«i Uk Uht 10 HÖ sè suy gi¶m vµ hÖ sè khuÕch ®¹i còng ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng vi xö lý nhê sù so s¸nh gi÷a m· ®iÖn ¸p ®Æt vµ m· ®iÖn ¸p ph¶n håi. NÕu ®iÖn ¸p ra sai lÖch so víi ®iÖn ¸p ®Æt th× khèi vi xö lý sÏ ra lÖnh ®iÒu chØnh suy gi¶m (th«) vµ ®iÒu chØnh hÖ sè khuÕch ®¹i (tinh) ®Ó bï sai lÖch. Do vËy, biªn ®é ®iÖn ¸p ra cã ®é chÝnh x¸c vµ ®é æn ®Þnh rÊt cao. Bé t¸ch sãng x©y dùng theo nguyªn lý biÕn ®æi Gi«deps¬n trong chÊt b¸n dÉn, v× vËy nã cã ®é chÝnh x¸c cao vµ rÊt tuyÕn tÝnh. Khèi vi xö lý (VXL) lµ mét hÖ VXL tèi thiÓu. Nhê kü thuËt VXL, cã thÓ sö dông ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm hÖ sè söa ®é phi tuyÕn cña bé t¸ch sãng biÕn ®æi xoay chiÒu thµnh mét chiÒu (U~/U_), hÖ sè bï nhiÖt khi tham sè linh kiÖn thay ®æi. Ngoµi ra nhê kü thuËt VXL mµ viÖc chØ thÞ møc ®iÖn ¸p ra, tÇn sè, sai sè, ®¬n vÞ ®o (V, mV, Hz...) ®−îc mÒm ho¸ theo yªu cÇu. 1.5 ThiÕt bÞ vμ c¸c ph−¬ng ph¸p kiÓm ®Þnh nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu Còng nh− bÊt kú mét thiÕt bÞ ®o l−êng nµo kh¸c, nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cÇn ®−îc kiÓm ®Þnh, hoÆc kiÓm ®Þnh toµn phÇn hoÆc kiÓm ®Þnh tõng phÇn. KiÓm ®Þnh toµn phÇn ®−îc tiÕn hµnh b»ng c¸ch x¸c ®Þnh sai sè sai sè cña toµn bé nguån chuÈn møc (kÓ c¶ chuÈn søc ®iÖn ®éng) b»ng c¸ch x¸c ®Þnh c¸c gi¸ trÞ Uk trong tÊt c¶ c¸c d¶i. Khi kiÓm ®Þnh tõng phÇn ng−êi ta x¸c ®Þnh c¸c sai sè cña tõng bé phËn, tõng phÇn sau ®ã lÊy tæng sai sè ®Ó x¸c ®Þnh sai sè cña thiÕt bÞ. KiÓm ®Þnh toµn phÇn nguån chuÈn møc, ch¼ng h¹n nh− cÊp chÝnh x¸c 0,001, yªu cÇu ph¶i t¹o ®−îc thiÕt bÞ cÊp chÝnh x¸c 0,0003 hoÆc cao h¬n, mµ ph¶i b¶o ®¶m ®−îc ®é chÝnh x¸c nh− vËy khi ®o c¸c gi¸ trÞ Uk tõ d¶i micr« v«n (μkV) ®Õn 1000V. Bµi to¸n phøc t¹p nµy chØ cã thÓ ®−îc gi¶i quyÕt ë c¸c c¬ quan ®o l−êng Quèc gia cã chuÈn sao cña ®¬n vÞ ®iÖn ¸p V«n (V). C¸c c¬ quan ®o l−êng kh¸c mÆc dï cã thÓ cã c¸c thiÕt bÞ t−¬ng ®èi chuÈn nh− m¸y bï 11 P332, bé chia ¸p P313 vµ pin chuÈn cã cÊp chÝnh x¸c 0,001 vµ cã b×nh æn nhiÖt còng chØ cho phÐp kiÓm ®Þnh víi sai sè 2,2.10-5 ë d¶i ®Õn 200V vµ 6.10-3 ë d¶i ®iÖn ¸p lín h¬n 200V. VÊn ®Ò trªn còng kh«ng thÓ gi¶i quyÕt trùc tiÕp b»ng viÖc sö dông c¸c v«n mÐt chuÈn cña c¸c c¬ së gi÷ chuÈn ®o l−êng. V× vËy hiÖn t¹i cßn tån t¹i nhiÒu khã kh¨n trong kiÓm ®Þnh nguån chuÈn møc trong d¶i ®iÖn ¸p réng. Do ®ã trong thùc tÕ kiÓm ®Þnh th«ng th−êng thùc hiÖn theo ph−¬ng ¸n sau: - C¸c nguån chuÈn møc cã ®é chÝnh x¸c thÊp (kho¶ng 0,01%) cã thÓ kiÓm ®Þnh toµn phÇn - C¸c nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p cã cÊp chÝnh x¸c cao cÇn thiÕt ph¶i chÕ t¹o d−íi d¹ng kÕt cÊu mµ cho phÐp kiÓm ®Þnh tõng phÇn. Mét trong c¸c ph−¬ng ph¸p th«ng dông khi thiÕt kÕ nguån chuÈn møc lµ nguån chuÈn cã chøa mét chuÈn søc ®iÖn ®éng ®éc lËp ®Ó hiÖu chuÈn c¸c søc ®iÖn ®éng cña c¸c khèi kh¸c so víi chuÈn søc ®iÖn ®éng ®éc lËp ®ã trong chu kú nhÊt ®Þnh. KÕt luËn Tõ c¸c ph©n tÝch vµ kh¶o s¸t mét sè nguån chuÈn møc trong thùc tÕ cã thÓ cho phÐp rót ra c¸c kÕt luËn sau: - Nguån chuÈn møc nãi chung vµ c¸c nguån chuÈn møc ®iªn ¸p xoay chiÒu nãi riªng cã vai trß quan träng trong kü thuËt ®o l−êng. Nguån chuÈn møc còng cã thÓ dïng ®Ó kiÓm ®Þnh c¸c v«n mÐt hoÆc còng cã thÓ dïng lµ nguån nu«i chuÈn cho c¸c thiÕt bÞ v« tuyÕn kh¸c. - Khi dïng nguån chuÈn møc ®Ó kiÓm ®Þnh c¸c v«n mÐt, do ®iÖn trë vµo cña v«n mÐt sè kh¸ lín, v× vËy yªu cÇu vÒ dßng t¶i cña nguån chuÈn møc chØ ®ßi hái ë kho¶ng 0,1 - 1mA - C¸c cÊu tróc kh¸c nhau sÏ cho ®é chÝnh x¸c kh¸c nhau. C¸c nguån chuÈn møc cã cÊu tróc theo cÊu tróc m¹ch hë cã ®é chÝnh x¸c thiÕt lËp ®iÖn ¸p ra thÊp h¬n so víi c¸c nguån chuÈn møc cã c©u tróc m¹ch kÝn (cÊu tróc cã 12 ph¶n håi). Bªn c¹nh ®ã víi cïng mét ph−¬ng ph¸p x©y dùng nh−ng nhê ¸p dông c¸c gi¶i ph¸p kü thuËt ®Æc biÖt (nh− kü thuËt sè, VXL ...) mµ c¸c ®Æc tÝnh kü thuËt cña nguån chuÈn møc ®−îc n©ng cao râ rÖt. §©y còng lµ mét ph−¬ng ¸n thÝch hîp ®Ó thiÕt kÕ, chÕ t¹o nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã ®é chÝnh x¸c cao. 13 ch−¬ng 2 c¸c cÊu tróc cña nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu XÐt vÒ mÆt cÊu tróc, nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã thÓ ®−îc x©y dùng theo hai kiÓu cÊu tróc, ®ã lµ: cÊu tróc m¹ch hë vµ cÊu tróc m¹ch kÝn. Tuú thuéc yªu cÇu vÒ ®é chÝnh x¸c, chÊt l−îng cña c¸c linh kiÖn vµ kh¶ n¨ng tù ®éng ho¸ mµ nguån chuÈn møc ®−îc x©y dùng theo cÊu tróc phï hîp. Ch−¬ng nµy sÏ tr×nh bµy vµ ph©n tÝch hai kiÓu cÊu tróc trªn, còng nh− c¸c biÓu thøc tÝnh sai sè ®Ó lµ c¬ së cho viÖc lùa chän cÊu tróc khi thiÕt kÕ nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu 1.2 Nguån chuÈn møc cã cÊu tróc hë S¬ ®å cã b¶n cña nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã cÊu tróc hë ®−îc tr×nh bµy ë h×nh 2.1 H×nh 2.1 Nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã cÊu tróc mach hë Nguån chuÈn møc cã nh÷ng thµnh phÇn sau: - Bé t¹o ®iÖn ¸p mÉu: Cã nhiÖm vô t¹o ra ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã biªn ®é Um æn ®Þnh, hÖ sè mÐo phi tuyÕn thÊp. TÇn sè cña ®iÖn ¸p xoay chiÒu nµy cã thÓ thay ®æi theo nÊc hoÆc thay ®æi liªn tôc trong ph¹m vi d¶i tÇn nhÊt ®Þnh. - Bé khuÕch ®¹i: Cã nhiÖm vô khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p xoay chiÒu tíi mét gi¸ trÞ x¸c ®Þnh. Bé khuÕch ®¹i ph¶i ®¶m b¶o ®uîc c¸c chØ tiªu vÒ hÖ sè Bé t¹o ®iÖn ¸p mÉu Bé khuÕch ®¹i Bé chia ®iÖn ¸p mÉu Um Ukkk®.Um 14 khuÕch ®¹i, ®é tuyÕn tÝnh cña ®Æc tuyÕn biªn ®é - tÇn sè trong d¶i tÇn cña ®iÖn ¸p xoay chiÒu ®−¬c t¹o ra tõ bé t¹o ®iÖn ¸p mÉu. - Bé chia ®iÖn ¸p mÉu sÏ chia ®iÖn ¸p tõ ®Çu ra cña bé khuÕch ®¹i thµnh c¸c ®iÖn ¸p kh¸c nhau tuú thuéc vµo viÖc thiÕt lËp ®iÖn ¸p ra theo yªu cÇu. Tõ s¬ ®å cÊu tróc trªn, cã thÓ x¸c ®Þnh: Uk = Um x Kk® x Kcm (2.1) Trong ®ã: Uk: §iÖn ¸p ra cña nguån chuÈn møc Um: §iÖn ¸p mÉu Kk®: HÖ sè khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i Kcm: hÖ sè chia cña bé chia mÉu §Ó thay ®æi biªn ®é ®iÖn ¸p ra ng−êi ta cã thÓ thay ®æi Um hoÆc Kcm hoÆc ®ång thêi c¶ hai. Sai sè c¬ b¶n thiÕt lËp ®iÖn ¸p ra theo [3] cã thÓ ®−îc tÝnh bëi c«ng thøc: δUra = δUm + δKk® + δKcm (2.2) Trong ®ã: δUm: sai sè cña ®iÖn ¸p mÉu δKk®: sai sè g©y nªn do sù phi tuyÕn cña ®Æc tuyÕn biªn ®é tÇn sè cña bé khuÕch ®¹i. δKcm: sai sè chia cña bé chia ¸p mÉu. * NhËn xÐt: Tõ s¬ ®å cÊu tróc vµ biÓu thøc (2.2) cã thÓ rót ra mÊy nhËn xÐt sau: - ¦u ®iÓm: + Nguån chuÈn møc x©y dùng theo ph−¬ng ph¸p nµy cã cÊu tróc kh¸ ®¬n gi¶n, v× vËy, viÖc thiÕt kÕ chÕ t¹o sÏ dÔ dµng. + Thêi gian thiÕt lËp ®iÖn ¸p ra Ura nhanh do Um chØ ph¶i qua bé khuÕch ®¹i, bé chia ®iÖn ¸p mÉu råi ®−a th¼ng tíi ®Çu ra. 15 - Nh−îc ®iÓm: + §é æn ®Þnh kÐm, khi Um, Kk®, Kcm hoÆc dßng t¶i thay ®æi ®Òu g©y ra sai sè cña Ura. * KÕt luËn: MÆc dï cã cÊu tróc ®¬n gi¶n, kh¶ n¨ng thiÕt kÕ chÕ t¹o dÔ dµng nh−ng v× nh÷ng nh−îc ®iÓm trªn nªn ph−¬ng ph¸p nµy Ýt ®−îc sö dông ®Ó thiÕt kÕ chÕ t¹o nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã chÊt l−îng cao. 2.2 nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã cÊu tróc kÝn S¬ ®å cÊu tróc c¬ b¶n cña nguån chuÈn møc cã cÊu tróc m¹ch kÝn ®−îc thÓ hiÖn ë h×nh 2.2 H×nh 2.2. Nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã cÊu tróc kÝn Trong s¬ ®å h×nh 2.2: U0 - nguån ®iÖn ¸p mÉu; Uht - ®iÖn ¸p håi tiÕp. Nguyªn t¾c ho¹t ®éng theo s¬ ®å cÊu tróc cña nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã cÊu tróc m¹ch kÝn cã håi tiÕp còng gièng nh− ho¹t ®éng cña nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã cÊu tróc m¹ch hë, chØ kh¸c lµ cã thªm m¹ch håi tiÕp ®Ó ®−a ®iÖn ¸p ®Çu ra trë l¹i so s¸nh víi ®iÖn ¸p mÉu. TÝn hiÖu mang th«ng tin vÒ sù sai lÖch gi÷a hai ®iÖn ¸p nµy tõ ®Çu ra bé so s¸nh sÏ ®−îc ®−a ®Õn ®iÒu khiÓn m¹ch dao ®éng ®Ó cho ®iÖn ¸p ra lu«n æn ®Þnh. Bé dao ®éng Bé khuÕch ®¹i Bé chia ®iÖn ¸p mÉu Bé so s¸nh Bé biÕn ®æi ®iÖn ¸p håi tiÕp Bé chia ®iÖn ¸p håi tiÕp Uht Uo Uk 16 Tõ s¬ ®å cÊu tróc ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc ®iÖn ¸p håi tiÕp theo biÓu thøc: ht ra ht K U U = (2.3) Trong ®ã: Kht = Kc . Kb® Kc: hÖ sè chia ¸p håi tiÕp Kb®: hÖ sè biÕn ®æi cña bé biÕn ®æi ®iÖn ¸p håi tiÕp Khi Uht = U0 tøc lµ ®iÖn ¸p ra b»ng ®iÖn ¸p thiÕt lËp th× tõ biÓu thøc (2.3) ta cã biÓu thøc x¸c ®Þnh ®iÖn ¸p ra: Ura = Kht . U0 (2.4) Do ®ã sai sè c¬ b¶n thiÕt lËp møc ®iÖn ¸p ra cã thÓ tÝnh theo biÓu thøc: δUra = δU0 + δKht (2.5) Trong ®ã: δU0 - sai sè cña nguån ®iÖn ¸p mÉu (®iÖn ¸p chuÈn) δKht - sai sè hÖ sè truyÒn cña m¹ch håi tiÕp Tõ biÓu thøc 2.5 ta nhËn thÊy ®Ó gi¶m sai sè thiÕt lËp møc ®iÖn ¸p ra δUra, ta ph¶i gi¶m sai sè cña ®iÖn ¸p mÉu δU0 hoÆc sai sè håi tiÕp δKht, hoÆc ®ång thêi c¶ hai. Hoµn thiÖn U0 b»ng c¸ch sö dông nh÷ng nguån søc ®iÖn ®éng mÉu cã ®é chÝnh x¸c cao. ViÖc gi¶m nhá δKht còng cã thÓ ®−îc thùc hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm ®Ó lÊy ®Æc tuyÕn cña tõng kh©u trong m¹ch håi tiÕp, hoÆc toµn bé c¸c kh©u håi tiÕp, qua ®ã x¸c ®Þnh ®−îc hÖ sè söa cÇn thiÕt. Khi nµy tÝn hiÖu sau bé biÕn ®æi håi tiÕp sÏ ®−îc nh©n thªm víi mét hÖ sè x¸c ®Þnh (tïy thuéc vµo tõng d¶i trong ph¹m vi biÕn ®æi cña ®iÖn ¸p håi tiÕp) tr−íc khi ®−a ®Õn bé so s¸nh. NÕu sè l−îng ®iÓm kh¶o s¸t ®Ó lÊy ®Æc tuyÕn cµng lín th× δKht cµng nhá 17 (vµ cã thÓ xÊp xØ b»ng sai sè cña thiÕt bÞ mÉu dïng ®Ó thùc nghiÖm lÊy ®Æc tuyÕn khi sè ®iÓm kh¶o s¸t ®ñ lín). * NhËn xÐt: Tõ s¬ ®å cÊu tróc vµ ho¹t ®éng cña nguån chuÈn cã cÊu tróc m¹ch kÝn, cã thÓ rót ra mÊy nhËn xÐt sau: - ¦u ®iÓm: + §é æn ®Þnh cña ®iÖn ¸p ra Ura cao, kh¶ n¨ng phèi hîp t¶i tèt do cã sö dông m¹ch ph¶n håi. + Sai sè ®iÖn ¸p ®Çu ra cã thÓ gi¶m nhá nhê øng dông nh÷ng kü thuËt míi (kü thuËt sè vµ vi xö lý). - Nh−îc ®iÓm: + S¬ ®å cÊu tróc phøc t¹p nªn viÖc tÝnh to¸n thiÕt kÕ chÕ t¹o còng khã kh¨n, phøc t¹p h¬n. * KÕt luËn: MÆc dï cã cÊu tróc phøc t¹p song v× nh÷ng −u ®iÓm næi tréi trªn nªn ph−¬ng ph¸p nµy th−êng ®−îc chän ®Ó thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã ®é chÝnh x¸c cao. 2.2.1 ChuÈn ®a trÞ ®iÖn ¸p xoay chiÒu tÇn sè cao Mét trong nh÷ng −u ®iÓm cña nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã cÊu tróc m¹ch kÝn ®ã lµ cã kh¶ n¨ng phèi hîp t¶i tèt do cã sö dông m¹ch ph¶n håi, ®Æc biÖt lµ ë tÇn sè cao. Do ë d¶i ®iÖn ¸p cao tÇn, bé chia ¸p th−êng lµ c¸c ®iÖn trë thuÇn cì nhá ®−îc ®Êu víi nhau theo h×nh T hoÆc h×nh Π vµ c¸p ®Ó ®−a ®iÖn ¸p ra th«ng th−êng ph¶i cã trë kh¸ng 50Ω. NÕu kh«ng phèi hîp trë kh¸ng tèt th× ®iÖn ¸p ra khã cã thÓ ®¹t ®−îc ®é chÝnh x¸c cao. §Ó gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nµy theo [19], [20] s¬ ®å khèi cña chuÈn ®a trÞ ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã d¹ng nh− h×nh 3.2 CÊu t¹o cña chuÈn ®a trÞ kiÓu nµy gåm: m¸y ph¸t (G), bé khuÕch ®¹i ®iÒu chØnh (§C - phÇn tö ®iÒu chØnh); bé khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p vi sai (K§); ®iÖn trë t¶i Rt; c¸p (KC1, KC2); c¸c ®ièt t¸ch sãng (D1, D2); chuyÓn m¹ch cao tÇn (K); thiÕt bÞ ®o ®iÖn dÉn (§D); ®iÖn trë mÉu R vµ t¶i gi¶ (TG). §iÖn ¸p gèc 18 (mÉu so s¸nh) lµ ®iÖn ¸p xoay chiÒu æn ®Þnh U0~, møc ®iÖn ¸p ra ë ®iÓm “a” lµ U phô thuéc vµo gi¸ trÞ ®iÖn ¸p U0~ qua vßng ®iÒu khiÓn. H×nh 2.3. ChuÈn ®a trÞ ®iÖn ¸p xoay chiÒu tÇn sè cao Tr−íc khi thiÕt bÞ ®−a ra gi¸ trÞ ®iÖn ¸p cÇn thiÕt lËp, vÞ trÝ cña kho¸ (K) ë phÝa d−íi vµ qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi c¸c th«ng sè vÒ t¶i (Rt) nhê khèi ®o ®é ®iÖn dÉn (§D), th«ng sè nµy cña t¶i ®−îc chuyÓn thµnh th«ng sè cña t¶i gi¶ (TG) t−¬ng ®−¬ng, nhê ®ã lµm thay ®æi møc ®iÖn ¸p ra U t¹i ®iÓm (a), do ®ã kÕt qu¶ cuèi cïng lµ hiÖu chØnh ®−îc sai sè do t¶i g©y ra ®èi víi bé suy gi¶m (SG) ë ®Çu ra cña thiÕt bÞ. ChÝnh ph−¬ng ph¸p nµy còng lµm gi¶m ¶nh h−ëng do c¸p nèi víi t¶i (Rt). Khi ΔU → 0 (håi tiÕp ©m s©u, hÖ sè khuyÕch ®¹i ®ñ lín), ta cã: ( ) 2D~01DTG1c2 K.U=KZ.K.R.K.U (2.6) G §C U a R K§ KC2 TG D1 §D Ut SG KC1 Rt _ΔU D2 U0∼ K b 19 Trong ®ã: ( )TG1c2 Z.K.R.K lµ hÖ sè truyÒn tõ ®iÓm “a” ®Õn ®iÓm “b” vµ lµ hµm sè cña ®iÖn trë R, trë kh¸ng ZTG cña t¶i gi¶ (TG) vµ ®o¹n c¸p nèi KC2. §iÖn ¸p ra trªn t¶i Ut sÏ lµ: ( ) tSG1SGt Z,R.K.K.U=U (2.7) Trong ®ã: ( )tSG1 Z,R.K lµ hÖ sè truyÒn cña c¸p KC1 vµ lµ hµm sè ®iÖn trë ®Çu ra cña bé suy gi¶m RSG, t¶i Zt vµ tÝnh chÊt cña c¸p nèi KC1. §Ó hÖ sè truyÒn cña bé suy gi¶m (SG) kh«ng phô thuéc vµo gi¸ trÞ ®iÖn trë t¶i Zt th× ®iÒu kiÖn sau ®©y ph¶i ®−îc tho¶ m·n: K2(R, KC2, ZTG) = K1.(RSG, Zt) (2.8) Tõ c¸c biÓu thøc trªn ta cã: ~0 2D 1D SGt UK K K=U (2.9) §Ó thùc hiÖn ®iÒu kiÖn (2.8) chóng ta ph¶i ®−a thªm vµo cÊu tróc cña chuÈn mét ®o¹n c¸p thø hai KC2 t−¬ng tù nh− KC1 cßn ®iÖn trë mÉu R cã gi¸ trÞ b»ng ®iÖn trë ra cña bé suy gi¶m RSG vµ th«ng sè cña t¶i gi¶ ph¶i thiÕt kÕ b»ng th«ng sè cña t¶i thËt Rt. (Nãi mét c¸ch kh¸c: khi thiÕt kÕ ph¶i chó ý chän d¶i thay ®æi cña t¶i thËt ®Ó chuyÓn thµnh th«ng sè cña t¶i gi¶, ®iÒu nµy trong thùc tÕ dÔ thùc hiÖn ®−îc). Nh− vËy, trong s¬ ®å nµy gi¶m ®−îc ¶nh h−ëng cña trë kh¸ng t¶i Zt tíi ®iÖn ¸p ra Ut . HÖ sè æn ®Þnh ®iÖn ¸p ra cña thiÕt bÞ phô thuéc vµo bé khuÕch ®¹i K§, phÇn tö ®iÒu chØnh §C vµ ®ièt t¸ch sãng D1. Trong thùc tÕ nÕu chän D1 vµ D2 gièng nhau th× ®¹t ®−îc ®é æn ®Þnh vµ ®é chÝnh x¸c cao do hai t¸ch sãng cïng lµm viÖc ë mét ®iÓm ®iÖn ¸p, mµ ®iÖn ¸p nµy ®ñ lín (khi chän chÕ ®é trong thiÕt kÕ) ®Ó cã ®é chÝnh x¸c cao nhÊt. 2.2.2 ChuÈn ®a trÞ ®iÖn ¸p xoay chiÒu dïng t¸ch sãng æn ®Þnh Sai sè chuÈn ®a trÞ ®iÖn ¸p xoay chiÒu phô thuéc rÊt lín vµo vµo viÖc sö dông t¸ch sãng trong cña thiÕt bÞ ë d¶i tÇn sè vµ d¶i ®iÖn ¸p réng. §Ó n©ng cao ®é chÝnh x¸c cña c¸c chuÈn ®a trÞ ®iÖn ¸p xoay chiÒu yªu cÇu t¸ch sãng ph¶i 20 cã ®é chÝnh x¸c cao trong d¶i ®iÖn ¸p réng. S¬ ®å chuÈn ®a trÞ ®iÖn ¸p xoay chiÒu, theo [19], [20] ®· ®¸p øng ®−îc yªu cÇu nªu trªn, h×nh (2.4) H×nh 2.4 ChuÈn ®a trÞ ®iÖn ¸p xoay chiÒu dïng t¸ch sãng æn ®Þnh a) S¬ ®å cÊu tróc b) S¬ ®å phÇn tö ®iÒu chØnh §C S¬ ®å chøa m¸y ph¸t (G) cã tÇn sè ω vµ ®iÖn ¸p ra UG(ω); hai phÇn tö ®iÒu chØnh (§C1, §C2); khuÕch ®¹i xoay chiÒu (y~); suy gi¶m (SG); ®iÒu chÕ G UG(ω) §C1 y~ U1 y1 D1 HPF D2 M LPF §C2 SG C _ _ y2 UP Ura U0 a b (a) Tõ y1 Tõ (G) Tíi y~ UG(ω) In0+Δi In0-Δi (b) 21 (M); hai t¸ch sãng (D1, D2); hai khuÕch ®¹i mét chiÒu (y1, y2); c¸c bé läc th«ng thÊp (LPF) vµ bé läc cao tÇn (HPF); nguån chuÈn mÉu (U0) vµ nguån chuÈn ®a trÞ mét chiÒu (UP). Ph−¬ng tr×nh m« t¶ nguyªn lý lµm viÖc cña s¬ ®å ®−îc biÓu thÞ d−íi d¹ng: K.KKK)K.K. K U -K..KK.U(=U SG~y2C§11D2C§ SG ra 2DM2C§Pra (2.10) Trong ®ã: Ki - HÖ sè truyÒn cña c¸c khèi t−¬ng øng víi chØ sè i K§C1, K§C2 - HÖ sè truyÒn cña phÇn tö ®iÒu chØnh §C1 vµ §C2 t−¬ng øng KLPF = KHPF =1 Tõ c«ng thøc (2.10) ta cã: 1~y1D1C§2C§ 1SG~y2DM1C§2C§ Pra K.K.K.K.K+1 K.K.K.K.K.K.K .U=U (2.11) 22DMP 2y0 2C§ K.K.K.U+1 KU =K (2.12) Khi K1→∞, biÓu thøc (3.11) cã d¹ng: 1D SG2DM Pra K K.K.K .U=U (2.13) Nh− vËy, ®iÖn ¸p ra cña chuÈn ®a trÞ ®iÖn ¸p xoay chiÒu ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c th«ng sè cña khèi ®iÒu chÕ KM, cña bé suy gi¶m ®Çu ra KSG vµ hai t¸ch sãng gièng nhau KD1, KD2. Nhê ®ã mµ sai sè ®iÖn ¸p ra sÏ nhá, v× hai t¸ch sãng gièng nhau cïng lµm viÖc trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nh− nhau ë møc ®iÖn ¸p ®ñ lín vµ æn ®Þnh nhê ®iÖn ¸p mÉu U0 duy tr× qua c¸c m¹ch so s¸nh, khuÕch ®¹i mét chiÒu y2 cã hÖ sè khuÕch ®¹i lín vµ phÇn tö ®iÒu chØnh §C2. Khi tÝnh to¸n thiÕt kÕ thiÕt bÞ nµy, thùc tÕ y1 cã hÖ sè khuÕch ®¹i h÷u h¹n (K1≠∞), do vËy sai sè cña chuÈn ®a trÞ ®iÖn ¸p xoay chiÒu phô thuéc vµo sai sè cña tÊt c¶ c¸c khèi cña s¬ ®å. VËy ph¶i xÐt ¶nh h−ëng cña sai sè tõng khèi ®Õn sai sè tæng cña chuÈn. 22 Gi¶ sö, phÇn tö ®iÒu chØnh ®−îc thiÕt kÕ trªn c¬ së quang ®iÖn trë nh− s¬ ®å h×nh (2.4b). HÖ sè truyÒn ®¹t tõ ®iÓm “a”®Õn ®iÓm “b” ®−îc x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc, theo [15]: )(U.)(K.K=K Gqt1C§ ωω (2.14) Trong ®ã: Kqt - hÖ sè truyÒn ®¹t cña quang trë )(K ω - gi¸ trÞ tuyÖt ®èi hÖ sè chia cña s¬ ®å ®iÒu chØnh b»ng quang trë. Tõ (2.13), (2.14) ®iÖn ¸p ra ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: ( ) ( ) ( ) ( ) ~y1y1DGqt2C§ 1ySG~y2DMGqt2C§ Pra K.K.K.U.K.K.K+1 KKK.K.KU.K.K.K U=U ωω ωω (2.15) §é bÊt æn ®Þnh t−¬ng ®èi ®iÖn ¸p ra do bÊt æn ®Þnh cña c¸c khèi g©y ra ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: γ∑ = ( ) 1y1D~yGqt 1K~y)ω(Kqt SGD12DM K.K.K).ω(U.ωK.K.K+1 γ+γ+γ+γ+γ +γ+γ-γ+γ C2§ C2§ (2.16) Ph©n tÝch biÓu thøc ra (2.15) vµ biÓu thøc sai sè (2.16), ta nhËn thÊy ®é s©u cña m¹ch håi tiÕp ©m vµ ®é æn ®Þnh cña s¬ ®å phô thuéc vµo tÇn sè m¸y ph¸t ω víi ®Æc tuyÕn tÇn sè cña c¸c khèi K(ω): Ky~, K§C1, KD1. Tuy nhiªn, ®é bÊt æn ®Þnh cña c¸c phÇn tö ®iÒu chØnh §C2 vµ y2 kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn ®é chÝnh x¸c cña s¬ ®å, mµ chØ ¶nh h−ëng rÊt nhá ®Õn sù ®ång bé vµ møc ®iÖn ¸p ë ®Çu vµo cña hai t¸ch sãng D1, D2. Tõ c¸c biÓu thøc vµ nhËn xÐt trªn ta cã thÓ kÕt luËn r»ng s¬ ®å chuÈn ®a trÞ ®iÖn ¸p xoay chiÒu dïng c¸c t¸ch sãng æn ®Þnh nªu trªn cã kh¶ n¨ng ®¶m b¶o ®é chÝnh x¸c cao vµ ®é bÊt æn ®Þnh cña ®iÖn ¸p thiÕt lËp nhá trong d¶i ®iÖn ¸p réng. Tuy nhiªn viÖc thiÕt kÕ nguån chuÈn møc theo s¬ ®å nµy kh¸ phøc t¹p do gÆp khã kh¨n trong viÖc æn ®Þnh ®iÓm lµm viÖc cña c¸c t¸ch sãng vµ ®iÒu chØnh hÖ sè håi tiÕp cña kh©u håi tiÕp. 23 KÕt luËn Tõ nh÷ng ph©n tÝch hai cÊu tróc cã b¶n cña nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cho phÐp rót ra nh−n÷g kÕt luËn sau: - Nguån chuÈn møc cã cÊu tróc m¹ch hë mÆc dï cã thêi gian cã ®é æn ®Þnh ®iÖn ¸p ra kh«ng cao nh−ng ®¬n gi¶n trong chÕ t¹o. Trong tr−êng hîp chÊt l−îng cña c¸c linh kiÖn tèt (®é æn ®Þnh vµ chÝnh x¸c cao) th× viÖc thiÕt kÕ, chÕ t¹o nguån chuÈn møc theo cÊu tróc nµy sÏ cã lîi h¬n. - Nguån chuÈn møc cã cÊu tróc m¹ch kÝn cã ®é æn ®Þnh, ®é chÝnh x¸c thiÕt lËp ®iÖn ¸p ra cao h¬n so víi nguån chuÈn møc cã cÊu tróc m¹ch hë, tuy nhiªn viÖc thiÕt kÕ theo cÊu tróc nµy còng phøc t¹p vµ khã kh¨n h¬n. - §èi víi nguån chuÈn møc cã cÊu tróc m¹ch kÝn, chÊt l−îng cña nguån chuÈn mÉu U0 ®ßi hái rÊt cao. Sù kh«ng æn ®Þnh cña nguån chuÈn mÉu sÏ lµm t¨ng ®¸ng kÓ sai sè thiÕt lËp ®iÖn ¸p ra vµ trong nhiÒu tr−êng hîp kh«ng thÓ thiÕt lËp ®uîc ®iÖn ¸p ra do nguån chuÈn møc lo¹i nµy ho¹t ®éng nh− mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng (®iÒu khiÓn theo sai lÖch). Tuy nhiªn sù ®ßi hái kh¾t khe vÒ chÊt k−îng cña nguån chuÈn mÉu cã thÓ ®−îc gi¶i quyÕt nÕu øng dông kü thuËt vi xö lý (VXL). V× khi nµy, ®iÖn ¸p chuÈn mÉu cã thÓ ®−îc thiÕt lËp d−íi d¹ng m· v× vËy sÏ cã ®é chÝnh x¸c rÊt cao. Ngoµi ra nhê VXL chóng ta cã thÓ ®−a vµo c¸c hÖ sè söa nh»m tuyÕn tÝnh ho¸ hÖ sè biÕn ®æi cña c¸c kh©u c¬ b¶n trong cÊu tróc cña nguån chuÈn møc. §©y lµ mét ph−¬ng ¸n thÝch hîp ®Ó thiÕt kÕ chÕ t¹o nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã chÊt l−îng cao. 24 ch−¬ng 3 TÝnh to¸n, thiÕt kÕ nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu Trªn c¬ së c¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch c¸c ®Æc tr−ng kü thuËt còng nh− c¸c s¬ ®å cÊu tróc cña nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cho c¶ hai nhãm cÊu tróc hë vµ cÊu tróc kÝn, ch−¬ng nµy sÏ tr×nh bµy viÖc tÝnh to¸n thiÕt kÕ mét nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu trªn c©u tróc kÝn cã øng dông kü thuËt VXL. Tr×nh tù tÝnh to¸n, thiÕt kÕ mét thiÕt bÞ ®o nãi chung vµ c¸c kh©u c¬ b¶n nh− khèi nguån, bé hiÓn thÞ, bé biÕn ®æi tu¬ng tù - sè A/D, bé biÕn ®æi sè - t−¬ng tù D/A ®· phæ biÕn trong nhiÒu tµi liÖu, v× vËy ch−¬ng nµy sÏ kh«ng ph©n tÝch kü mµ chØ xem xÐt sai sè cña nã trong ®iÒu kiÖn thiÕt kÕ cô thÓ. 3.1 C¸c yªu cÇu vÒ chØ tiªu kü thuËt c¬ b¶n cña nguån chuÈn møc - C«ng dông: Dïng ®Ó kiÓm tra c¸c v«n mÐt ®iÖn tö cã trë kh¸ng vµo lín h¬n 100kΩ - D¹ng ®iÖn ¸p ra : h×nh sin - D¶i ®iÖn ¸p ra: tõ 1mV - 300V - TÇn sè cña ®iÖn ¸p ra: tõ 45Hz - 1000Hz - Sai sè tÇn sè: kh«ng v−ît qu¸ 3% gi¸ trÞ ®Æt - HÖ sè mÐo phi tuyÕn cña ®iÖn ¸p ra: kh«ng v−ît qu¸ 0,3% - Sai sè thiÕt lËp ®iÖn ¸p ra kh«ng v−ît qu¸ 0,3% gi¸ trÞ ®Æt - §iÒu kiÖn lµm viÖc: + NhiÖt ®é: 200C - 250C + §é Èm: ≤ 80% 25 3.2 S¬ ®å cÊu tróc vμ ho¹t ®éng theo s¬ ®å cÊu tróc S¬ ®å cÊu tróc cña nguån chuÈn møc ®−îc lùa chän theo kiÓu cÊu tróc kÝn cã øng dông kü thuËt VXL vµ ®−îc thÓ hiÖn ë h×nh 3.1 H×nh 3.1 S¬ ®å cÊu tróc nguån chuÈn møc ®iÖn xoay chiÒu 3.2.1Thµnh phÇn vµ nguyªn t¾c ho¹t ®éng theo s¬ ®å cÊu tróc: Thµnh phÇn theo s¬ ®å cÊu tróc cña nguån chuÈn møc bao gåm c¸c khèi sau: - Bé dao ®éng ©m tÇn D§ - Khèi suy gi¶m tù ®éng SGT§ - Khèi khuÕch ®¹i c«ng suÊt K§CS - Khèi chuyÓn m¹ch r¬le CMRL - Bé chia mÉu CM - ChuyÓn m¹ch ®Çu ra CM§R - Khèi t¸ch sãng TS - Khèi AD D§ SGT§ K§CS CMRL CM CM§R TS A/D VXL HTS TMBP Nguån Ura 26 - Khèi vi xö lý VXL - Khèi hiÓn thÞ sè HTS - Khèi t¹o m· bµn phÝm TMBP - Khèi nguån Nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña nguån chuÈn møc nh− sau: TÝn hiÖu dao ®éng ©m tÇn h×nh sin cã tÇn sè 50Hz, 400Hz vµ 1000Hz tõ bé dao ®éng ©m tÇn ®−îc ®−a tíi ®Çu vµo khèi suy gi¶m tù ®éng. Khèi suy gi¶m tù ®éng ®−îc x©y dùng trªn vi m¹ch X9241, trong vi m¹ch cã 4 ma trËn ®iÖn trë ®−îc ®Êu nèi víi nhau bëi c¸c thanh quÐt sao cho mçi ma trËn ®iÖn trë cã vai trß nh− mét chiÕt ¸p. ViÖc ®iÒu khiÓn vÞ trÝ c¸c thanh quÐt ®−îc thùc hiÖn bëi tÝn hiÖu sè ®−a ®Õn ®Çu vµo ch©n ®iÒu khiÓn cña vi m¹ch. Nh− vËy c¶ khèi suy gi¶m tù ®éng cã thÓ coi t−¬ng ®−¬ng nh− mét chiÕt ¸p ®−îc ®iÒu khiÓn bëi tÝn hiÖu sè. Bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt cã nhiÖm vô khuÕch ®¹i tÝn hiÖu dao ®éng ©m tÇn (®−îc ®−a ®Õn tõ khèi suy gi¶m tù ®éng) ®Õn møc ®ñ lín. Nhê biÕn ¸p xuÊt cã nhiÒu ®Çu ra, cã thÓ lÊy ra c¸c ®iÖn ¸p theo c¸c d¶i ®iÖn ¸p mong muèn. Tuú thuéc vµo viÖc ®Æt gi¸ trÞ ®iÖn ¸p tõ bµn phÝm mµ bé vi xö lý sÏ quyÕt ®Þnh chän ®iÖn ¸p tõ ®Çu ra nµo cña biÕn ¸p xuÊt ®Ó ®−a ®Õn bé chia mÉu. §iÖn ¸p tõ ®Çu ra cña thiÕt bÞ ®−îc lÊy tõ bé chia mÉu. Tuy nhiªn ®iÖn ¸p ®−îc lÊy ë ®iÓm nµo trªn bé chia mÉu sÏ phô thuéc vµo tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn r¬le ®Çu ra tõ bé vi xö lý, mµ tÝn hiÖu nµy l¹i do viÖc ®Æt gi¸ trÞ ®iÖn ¸p tõ bµn phÝm quyÕt ®Þnh. Mét phÇn tÝn hiÖu xoay chiÒu tõ ®Çu ra sÏ ®−îc ®−a qua bé t¸ch sãng ®Ó biÕn ®æi thµnh ®iÖn ¸p mét chiÒu, sau ®ã ®−a tíi ®Çu vµo bé biÕn ®æi A/D. §iÖn ¸p mét chiÒu sau khi qua bé biÕn ®æi A/D lµ tÝn hiÖu ®iÖn ¸p ë d¹ng sè. TÝn hiÖu nµy sÏ ®−îc so s¸nh víi ®iÖn ¸p ®Æt (®iÖn ¸p ®Æt còng lµ tÝn hiÖu d¹ng sè). TÝn hiÖu mang th«ng tin vÒ sai lÖch gi÷a ®iÖn ¸p ra vµ ®iÖn ¸p ®Æt ®−îc 27 ®−a ®Õn ®iÒu khiÓn khèi suy gi¶m tù ®éng, qua ®ã lµm thay ®æi ®iÖn ¸p ra cña m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt. Qu¸ tr×nh nµy sÏ t¹m thêi kÕt thóc khi Ura = U®Æt. Trong qu¸ tr×nh lµm viÖc, gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ®Çu ra cña thiÕt bÞ cã thÓ bÞ thay ®æi do sù tr«i cña biªn ®é ®iÖn ¸p dao ®éng. §Ó kh¾c phôc hiÖn t−îng nµy, bé vi xö lý sÏ ph¸t tÝn hiÖu kiÓm tra xem Ura cã b»ng U®Æt hay kh«ng. NÕu Ura kh¸c víi U®Æt th× qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn l¹i tiÕp tôc ®Ó duy tr× cho Ura lu«n b»ng U®Æt. NÕu cã sù cè nµo ®ã lµm cho Ura rÊt kh¸c U®Æt th× bé vi xö lý sÏ cho ra tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ng¾t ®iÖn ¸p ra vµ b¸o lçi trªn mµn chØ thÞ. 3.2.2 Ph©n tÝch s¬ ®å cÊu tróc theo c¸c yªu cÇu chØ tiªu kü thuËt: 3.2.2.1 Sai sè thiÕt lËp ®iÖn ¸p ra: Tõ s¬ ®å cÊu tróc vµ nguyªn lý ho¹t ®éng, cã thÓ x¸c lËp biÓu thøc sau: Ura = Udd . Ksg . Kkd Trong ®ã: Udd lµ ®iÖn ¸p ra bé dao ®éng Ksg lµ hÖ sè suy gi¶m biÕn ®æi theo tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn sè tõ m¹ch so s¸nh. Kkd lµ hÖ sè khuÕch ®¹i bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt MÆt kh¸c ta l¹i cã: Ura = Kht . Uht Trong ®ã: Kht lµ hÖ sè chia håi tiÕp Uht lµ ®iÖn ¸p håi tiÕp Khi ®iÖn ¸p ra ®· b»ng ®iÖn ¸p ®Æt ta cã: Mht = M®Æt Trong ®ã: Mht lµ ®iÖn ¸p m· håi tiÕp M®Æt lµ ®iÖn ¸p m· ®Æt tõ bµn phÝm mµ: Mht = KAD . Kbd . Uht Trong ®ã: KAD lµ hÖ sè biÕn ®æi cña AD Kbd lµ hÖ sè biÕn ®æi cña bé t¸ch sãng §ång thêi: M®Æt = Ksöa . U®Æt (3.1) (3.3) (3.2) (3.4) 28 víi: Ksöa lµ hÖ sè söa ®−îc ®−a vµo ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm U®Æt lµ gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ®Æt theo yªu cÇu Tõ (3-3) vµ (3-4) cã thÓ rót ra: KAD . Kbd . Uht = Ksöa . U®Æt Tõ biÓu thøc (3-5) rót ra ®−îc biÓu thøc tÝnh gi¸ trÞ Uht nh− sau: Thay (3-6) vµo (3-2) ta cã: Tõ (3-1) vµ (3-7) cã thÓ x¸c lËp sai sè thiÕt lËp gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ra nh− sau: Trong ®ã: Do vËy: Tøc lµ: (3.5) bdAD datsua ht K.K U.K U = (3.6) dat bdAD htsua ra UK.K K.K U = (3.7) δK δK δK δU δK δK δU sgbdADdatsuahtra +++++= (3.8) % 0,0016059 δKAD = (xem phÇn m¹ch AD) % 0,038 δKsg = (xem phÇn m¹ch suy gi¶m tù ®éng) % 0 δKsua ≈ (do tÝnh to¸n sao cho hÖ sè söa nh©n víi ®iÖn ¸p ®Æt t−¬ng øng víi ®iÖn ¸p håi tiÕp) % 0,05 δKbd ≤ (xem phÇn bé t¸ch sãng) % 0,11 δKht ≤ ( xem phÇn bé chia mÉu) 0,05)% 0,038 0,0016059 (0,11 δK δK δK δK δU sgbdADhtra +++=+++≤ (3.9) % 0,1996059 δUra ≤ 29 3.2.2.2 HÖ sè mÐo phi tuyÕn cña ®iÖn ¸p ra: Tõ s¬ ®å cÊu tróc, cã thÓ nhËn xÐt: Bé dao ®éng ©m tÇn vµ bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lµ hai thµnh phÇn chÝnh g©y mÐo cho ®iÖn ¸p ®Çu ra. Do vËy ta cã thÓ viÕt: KmUra = Kmd® + Kmk® Trong ®ã: Kmd® lµ hÖ sè mÐo g©y ra bëi bé dao ®éng ©m tÇn Kmk® lµ hÖ sè mÐo g©y ra bëi m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt Theo c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n vµ thùc nghiÖm ®èi víi m¹ch dao ®éng vµ m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt, ta cã kÕt qu¶ sau: KmUra < 0,15% (ë tÇn sè 50Hz) KmUra ≤ 0,1% (ë tÇn sè 400Hz vµ 1000Hz) 3.2.3 Nguyªn lý ho¹t ®éng cña c¸c khèi chøc n¨ng trong s¬ ®å cÊu tróc: 3.2.3.1 Bé dao ®éng ©m tÇn: a. C«ng dông: Bé dao ®éng ©m tÇn cã nhiÖm vô t¹o ra ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã c¸c chØ tiªu c¬ b¶n sau: - TÇn sè dao ®éng tõ 50Hz ®Õn 1000Hz - HÖ sè mÐo phi tuyÕn cña ®iÖn ¸p ra ≤ 0,1% - Biªn ®é ®iÖn ¸p dao ®éng æn ®Þnh b. S¬ ®å cÊu tróc cña bé dao ®éng ©m tÇn: Tõ c¸c yªu cÇu chØ tiªu kü thuËt trªn, cã thÓ x©y dùng bé dao ®éng ©m tÇn trªn c¬ së cña bé t¹o dao ®éng LC hoÆc RC. Tuy nhiªn, trong thiÕt bÞ nµy sÏ sö dông bé t¹o dao ®éng ©m tÇn RC, v× nã cã nh÷ng −u ®iÓm sau: - Trong d¶i tÇn sè thÊp, kÝch th−íc cña bé t¹o dao ®éng RC nhá h¬n. - ViÖc thiÕt kÕ vµ l¾p ®Æt ®¬n gi¶n h¬n. (3.10) 30 - Bé t¹o dao ®éng RC ®−îc sö dông réng r·i trong c¸c m¸y ph¸t ©m tÇn mÉu. Qua thùc tÕ sö dông cho thÊy chóng cã hÖ sè mÐo thÊp vµ ®Æc biÖt lµ biªn ®é ®iÖn ¸p ra rÊt æn ®Þnh. - S¬ ®å khèi cña bé t¹o dao ®éng ©m tÇn RC ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3.2 Nã ®−îc cÊu t¹o tõ bé khuÕch ®¹i b¸n dÉn d¶i réng, gåm c¸c m¹ch håi tiÕp ng−îc d−¬ng (m¹ch γ) vµ m¹ch håi tiÕp ng−îc ©m (m¹ch β). M¹ch R1 C1 R3 γ R2 L M¹ch β C2 H×nh 3.2. S¬ ®å cÊu tróc cña bé dao ®éng ©m tÇn RC S¬ ®å nguyªn lý cña bé dao ®«ng ©m tÇn RC ®−îc thÓ hiÖn ë h×nh 3.3 Trong s¬ ®å nµy bé khuÕch ®¹i d¶i réng dïng b¸n dÉn gåm hai tÇng. TÇng ®Çu vµo thiÕt kÕ theo m¹ch Emitor chung trªn ®Ìn b¸n dÉn 37. TÇng ®Çu ra thùc hiÖn theo m¹ch Kackod trªn b¸n dÉn 63, 64 víi t¶i ®éng lµ b¸n dÉn 62. Víi viÖc sö dông m¹ch håi tiÕp ©m s©u sÏ ®¶m b¶o cho m¹ch dao ®éng RC cã hÖ sè mÐo phi tuyÕn nhá vµ cã biªn ®é ®ao ®éng æn ®Þnh. Nguån cÊp cho baz¬ cña b¸n dÉn 37 ®−îc lÊy tõ bé chia ¸p (®iÖn trë 33, 34, 36) th«ng qua c¸c phÇn tö cña m¹ch xoay pha 28. ViÖc nµy sÏ lo¹i trõ ®−îc kh¶ n¨ng ng¾n dßng (sun) cña m¹ch xoay pha g©y ra bëi bé chia ¸p. §Ó æn ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc cña b¸n dÉn, trong bé khuÕch ®¹i cã sö dông m¹ch ph¶n håi ©m theo dßng mét chiÒu. M¹ch håi tiÕp cÊu t¹o tõ c¸c ®iÖn trë 52, KhuÕch ®¹i 31 47, 39, thµnh phÇn xoay chiÒu ®−îc t¸ch bëi c¸c tô 53, 54. Møc tÝn hiÖu cña bé t¹o dao ®éng RC cã thÓ ®iÒu chØnh nhê chiÕt ¸p 47. H×nh 3.3 S¬ ®å nguyªn lý bé dao ®éng ©m tÇn M¹ch håi tiÕp d−¬ng ho¹t ®éng theo kiÓu m¹ch cÇu viªn, v× vËy t¹i tÇn sè c©n b»ng ®é suy gi¶m tÝn hiÖu sÏ nhá nhÊt vµ kh«ng cã sù dÞch chuyÓn pha gi÷a ®iÖn ¸p ®Çu vµo vµ ®Çu ra. TÇn sè c©n b»ng cña m¹ch cÇu viªn còng chÝnh lµ tÇn sè ph¸t cña m¹ch dao ®éng ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: ViÖc thay ®æi tÇn sè dao ®éng thùc hiÖn bëi c¸c ®iÖn trë R1 vµ R2. PhÇn tö ®Ó æn ®Þnh biªn ®é tÝn hiÖu ®Çu ra ®−îc sö dông lµ trë nhiÖt (L93), nã lµ mét phÇn tö phi tuyÕn ®−îc m¾c vµo m¹ch håi tiÕp ©m β. Qua l¾p r¸p vµ kh¶o s¸t thùc tÕ, c¸c kÕt qu¶ thu ®−îc nh− sau: HÖ sè mÐo phi tuyÕn (Km) cña ®iÖn ¸p ra bé dao ®éng trong d¶i ®iÖn ¸p tõ 0,3V ®Õn 3,0V trªn t¶i 10kΩ lµ: 2211 0 .C.R.CR 2 1 f = (3.11) 32 Km < 0,08% t¹i tÇn sè fd® = 50Hz Km < 0,05% t¹i tÇn sè fd® = 400Hz vµ 1000Hz 3.2.3.2 Khèi khuÕch ®¹i c«ng suÊt a. C«ng dông: Khèi khuÕch ®¹i c«ng suÊt dïng ®Ó khuÕch ®¹i dïng ®Ó khuÕch ®¹i tÝn hiÖu xoay chiÒu ®−îc ®−a tíi tõ khèi suy gi¶m tù ®éng ®Õn møc ®ñ lín, ®¶m b¶o cho sù lµm viÖc cña c¸c tÇng tiÕp theo. b. §Æc ®iÓm: - HÖ sè khuÕch ®¹i ph¶i æn ®Þnh vµ ®ång ®Òu trªn toµn bé d¶i tÇn cña ®iÖn ¸p vµo - HÖ sè mÐo phi tuyÕn nhá - Cã kh¶ n¨ng phèi hîp t¶i tèt - Tiªu thô nguån Ýt S¬ ®å khèi cña phÇn khuÕch ®¹i thÓ hiÖn trªn h×nh 3.4a. S¬ ®å bao gåm m¹ch khuÕch ®¹i sö dông vi m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt ©m tÇn kiÓu STK 084, m¹ch æn ¸p ±35V sö dông vi m¹ch LM741 vµ b¸n dÉn 2SD817, ®Çu ra lµ biÕn ¸p xuÊt ®Ó phèi hîp t¶i. TÝn hiÖu TÝn hiÖu vµo ra ~35V H×nh 3.4a. S¬ ®å khèi bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt KhuÕch ®¹i c«ng suÊt BiÕn ¸p xuÊt æn ¸p ±35V 33 S¬ ®å nguyªn lý cña khèi khuÕch ®¹i c«ng suÊt thÓ hiÖn trªn h×nh 3.4b M¹ch x¸c ®Þnh hÖ sè håi tiÕp ©m gåm C3, R3, R6. Tô C5 bï khuÕch ®¹i tÇn sè cao. Tô C9 vµ R7 t¹o thµnh mét m¹ch läc. Tô C8 dïng ®Ó ng¨n thµnh phÇn mét chiÒu. C¸c linh kiÖn R1, C1, R2 t¹o thµnh m¹ch läc nhiÔu vµ b¶o vÖ ®Çu vµo cho vi m¹ch STK 084. Tô C2, C4 vµ ®iÖn trë R4 lµ m¹ch läc nguån d−¬ng 35V. Tô C6, C7 vµ ®iÖn trë R5 lµ m¹ch läc nguån ©m 35V. H×nh 3.4b. S¬ ®å nguyªn lý bé khuyÕch ®¹i c«ng suÊt c. Thö nghiÖm m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt: Ph−¬ng ph¸p thö nghiÖm: - CÊp nguån ±35V cho m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt. - Chän hÖ sè khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt: Kk® = 10 - §iÖn ¸p vµo cña bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt lµ ®iÖn ¸p ®Çu ra cña bé dao ®éng ©m tÇn. - §o gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ®Çu ra vµ hÖ sè mÐo phi tuyÕn cña bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt, kÕt qu¶ thu ®−îc: 34 §iÖn ¸p vµo TÇn sè §iÖn ¸p ra HÖ sè mÐo phi tuyÕn cña ®iÖn ¸p ra 0,4V ÷ 2,5V 0,4V ÷ 2,5V 0,4V ÷ 2,5V 50Hz 400Hz 1000Hz 4V ÷ 25V 4V ÷ 25V 4V ÷ 25V < 0,15% < 0,1% < 0,1% B¶ng 3.1 Trªn c¬ së kÕt qu¶ thö nghiÖm trªn, c¸c chÕ ®é lµm viÖc cña m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt ®−îc chän nh− sau: Kk® = 10 ; Uvµo = 0,4V ÷ 1,7V ; Ura = 4V ÷ 17V 3.2.3.3 BiÕn ¸p xuÊt: Trªn c¬ së chÕ ®é lµm viÖc cña m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt, ta cã thÓ quÊn biÕn ¸p xuÊt cã c¸c ®Çu ra víi c¸c d¶i ®iÖn ¸p mong muèn. BiÕn ¸p xuÊt ®−îc quÊn theo kiÓu tù ngÉu. §iÖn ¸p ®Çu vµo cña nã chÝnh lµ ®iÖn ¸p ®Çu ra cña m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt. D¶i biÕn ®æi cña ®iÖn ¸p ®Çu vµo nµy lµ tõ 4V ÷ 17V. 3.2.3.4 Bé chia mÉu: a. C«ng dông: Bé chia mÉu cã nhiÖm vô chia ®iÖn ¸p tõ biÕn ¸p xuÊt ®Ó lÊy ra c¸c gi¸ trÞ ®iÖn ¸p mong muèn vµ mét phÇn cÊp cho m¹ch t¸ch sãng. b. S¬ ®å nguyªn lý cña bé chia mÉu: S¬ ®å nguyªn lý cña bé chia mÉu ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3.5 Bé chia mÉu ®−îc cÊu t¹o tõ 5 ®iÖn trë mÉu cã cÊp chÝnh x¸c cao (0,05%), c«ng suÊt lµ 1,5W. §©y lµ c¸c ®iÖn trë d©y quÊn trªn trô sø ®−îc bäc kÝn vµ cã ®é æn ®Þnh vÒ nhiÖt rÊt cao (theo tµi liÖu vÒ ®iÖn trë mÉu RS). 35 H×nh 3.5 S¬ ®å nguyªn lý bé chia mÉu c. Ho¹t ®éng cña bé chia mÉu: - Trong d¶i ®iÖn ¸p tõ 100V ÷ 300V (h×nh3.6) §iÖn ¸p tõ mét trong hai ®Çu D, E cña biÕn ¸p xuÊt ®−îc ®Æt ®Õn ®Çu A cña bé chia mÉu, ®iÖn ¸p ra còng ®−îc lÊy t¹i ®Çu A nµy. §iÖn ¸p cÊp cho m¹ch t¸ch sãng lÊy t¹i ®iÓm E. Khi nµy: Uvµo Ura Uht B R1 90K R2 9K A C R3 900Ω D R4 90Ω E R5 10Ω R5 R5R4R3R2 R1 U U raht ++++= (3.12) 36 H×nh 3.6 S¬ ®å nguyªn lý bé chia mÉu ë d¶i 100V- 300V Khi Uvµo thay ®æi tõ 100V ÷ 300V th× Uht thay ®æi tõ 10mV ÷ 30mV, do ®iÖn ¸p Uht ®−îc lÊy ë bªn d−íi ®Çu ra nªn ta hoµn toµn lo¹i trõ ®−îc ¶nh h−ëng cña t¶i. HÖ sè håi tiÕp trong tr−êng hîp nµy ®−îc tÝnh nh− sau: V× vËy sai sè håi tiÕp: δKht = δ(R5) + δ(R1 + R2 + R3 + R4 + R5) ≤ 2δ(R) = 2 x 0,05 = 0,1(%) - Trong d¶i ®iÖn ¸p tõ 50V ÷ 100V (h×nh 3.7) R5 R5 R4 R3 R2 R1 Kht ++++= (3.13) B R1 90K R2 9K C R3 900Ω R4 90Ω E R5 10Ω Uvµo Ura Uht D A 37 §iÖn ¸p ra tõ ®Çu D cña biÕn ¸p xuÊt ®−îc ®−a ®Õn ®Çu vµo A cña bé chia mÉu. §iÖn ¸p ra còng ®−îc lÊy trªn ®Çu A. Trong tr−êng hîp nµy: Khi Ura thay ®æi trong kho¶ng tõ 50V ÷ 100V th× Uht thay ®æi trong kho¶ng tõ 50mV ÷ 100mV; vµ khi nµy: H×nh 3.7 Do ®ã sai sè håi tiÕp: R5) (R4 R5R4R3R2R1 U U raht +++++= R5R4 R5 R4 R3 R2 R1 Kht + ++++= B R1 90K R2 9K A C R3 900Ω R4 90Ω E R5 10Ω Uvµo Ura Uht D (3.14) (3.15) 38 δKht = δ(R4 + R5) + δ(R1 + R2 + R3 + R4 + R5) ≤ 2δ(R) = 2 x 0,05 = 0,1(%) Trong tr−êng hîp nµy v× ®iÖn ¸p Uht ®−îc lÊy ë bªn d−íi ®Çu ra nªn ta hoµn toµn lo¹i trõ ®−îc ¶nh h−ëng cña t¶i tíi bé chia mÉu. - Trong d¶i ®iÖn ¸p ®iÖn ¸p tõ 10V ÷ 50V (h×nh 3.8): H×nh 3.8 §iÖn ¸p vµo ®−îc lÊy tõ mét trong hai ®Çu B hoÆc C cña biÕn ¸p xuÊt, ®Æt lªn ®Çu B cña bé chia ¸p. §iÖn ¸p håi tiÕp lÊy t¹i ®Çu E cña bé chia. Trong tr−êng hîp nµy: B R1 90K R2 9K A C R3 900Ω R4 90Ω E R5 10Ω Uvµo Uht D Ura R5 R5R4R3R2 U U raht +++= (3.16) 39 Khi Ura thay ®æi trong kho¶ng tõ 10V ÷ 50V th× Uht thay ®æi trong kho¶ng tõ 10mV ÷ 50mV; vµ hÖ sè håi tiÕp ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: Khi nµy sai sè håi tiÕp: δKht = δ(R5) + δ(R2 + R3 + R4 + R5) ≤ 2δ(R) = 2 x 0,05 = 0,1(%) V× ®iÖn ¸p Uht ®−îc lÊy ë bªn d−íi t¶i ®Çu ra nªn còng hoµn toµn lo¹i trõ ®−îc ¶nh h−ëng cña t¶i tíi bé chia mÉu. - Trong d¶i ®iÖn ¸p ®iÖn ¸p tõ 1V ÷ 10V (h×nh 3.9): H×nh 3.9 R5 R5 R4 R3 R2 Kht +++= A B R1 90K R2 9K C R3 900Ω R4 90Ω E R5 10Ω Uvµo Uht D Ura (3.17) 40 §iÖn ¸p vµo ®−îc lÊy tõ mét trong hai ®Çu A hoÆc B cña biÕn ¸p xuÊt, ®Æt lªn ®Çu B cña bé chia ¸p. §iÖn ¸p ra ®−îc lÊy còng t¹i ®Çu B, ®iÖn ¸p håi tiÕp lÊy t¹i ®Çu D cña bé chia. T−¬ng tù c¸c tr−êng hîp trªn, cã thÓ tÝnh ®−îc: Khi Ura thay ®æi trong kho¶ng tõ 1V ÷ 10V th× Uht thay ®æi trong kho¶ng tõ 10mV ÷ 100mV; vµ hÖ sè håi tiÕp ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: Sai sè håi tiÕp: δKht = δ(R4 + R5) + δ(R2 + R3 + R4 + R5) ≤ 2δ(R) = 2 x 0,05 = 0,1(%) §iÖn ¸p Uht ®−îc lÊy ë bªn d−íi t¶i ®Çu ra nªn còng lo¹i trõ ®−îc ¶nh h−ëng cña t¶i tíi bé chia mÉu. - Trong d¶i ®iÖn ¸p ®iÖn ¸p tõ 100mV ÷ 1V (h×nh 3.10): §iÖn ¸p vµo ®−îc lÊy tõ mét trong hai ®Çu A hoÆc B cña biÕn ¸p xuÊt, ®Æt lªn ®Çu B cña bé chia ¸p. §iÖn ¸p ra lÊy t¹i ®Çu C, cßn ®iÖn ¸p håi tiÕp lÊy t¹i ®Çu D cña bé chia. Trong tr−êng hîp nµy: Khi Ura thay ®æi trong kho¶ng tõ 100mV ÷ 1V th× Uht thay ®æi trong kho¶ng tõ 10mV ÷ 100mV; vµ hÖ sè håi tiÕp ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: Do vËy sai sè håi tiÕp: R5) (R4 R5R4R3R2 U U raht ++++= R5R4 R5 R4 R3 R2 Kht + +++= (3.18) (3.19) R5) (R4 R5R4R3 U U raht +++= (3.20) (3.21) R5R4 R5 R4 R3 Kht + ++= 41 δKht = δ(R4 + R5) + δ(R3 + R4 + R5) ≤ 2δ(R) = 2 x 0,05 = 0,1(%) H×nh 3.10 - Trong d¶i ®iÖn ¸p ®iÖn ¸p tõ 10mV ÷ 100mV (h×nh 3.11): §iÖn ¸p vµo ®−îc lÊy tõ mét trong hai ®Çu A hoÆc B cña biÕn ¸p xuÊt, ®Æt lªn ®Çu B cña bé chia ¸p. §iÖn ¸p ra vµ ®iÖn ¸p håi tiÕp cïng lÊy trªn ®Çu D cña bé chia. Nh− vËy: Ura = Uht Nªn: Kht = 1 B R1 90K R2 9K A C R3 900Ω R4 90Ω E R5 10Ω Uvµo Uht D Ura 42 δKht = 0 H×nh 3.11 - Trong d¶i ®iÖn ¸p tõ 1mV ÷ 10mV (h×nh 3.12): §iÖn ¸p vµo ®−îc lÊy tõ mét trong hai ®Çu A hoÆc B cña biÕn ¸p xuÊt, ®Æt lªn ®Çu B cña bé chia ¸p. §iÖn ¸p ra lÊy t¹i ®Çu E, cßn ®iÖn ¸p håi tiÕp lÊy t¹i ®Çu D cña bé chia. Tr−êng hîp nµy, do ®iÖn ¸p håi tiÕp Uht lÊy ra ë phÝa trªn t¶i, nªn ph¶i xem xÐt ¶nh h−ëng cña t¶i tíi bé chia mÉu. Theo c¸c chØ tiªu kü thuËt ®Æt ra, nguån chuÈn nµy dïng ®Ó kiÓm ®Þnh c¸c Vonmet cã ®iÖn trë vµo lín (Rvµo ≥ 100kΩ). V× vËy cÇn ph¶i xem xÐt ¶nh h−ëng cña t¶i tíi bé chia mÉu trong tr−êng hîp cùc ®oan nhÊt, ®ã lµ khi: B R1 90K R2 9K A C R3 900Ω R4 90Ω E R5 10Ω Uvµo Uht D Ura 43 Rt¶i = 100kΩ vµ ®−îc m¾c song song víi R5 = 10Ω Ura = 10mV (gi¸ trÞ lín nhÊt cña d¶i ®iÖn ¸p ra) Khi nµy gi¸ trÞ dßng t¶i sÏ ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: Vµ gi¸ trÞ dßng cùc ®¹i qua bé chia mÉu (Icm) ®−îc x¸c ®Þnh: H×nh 3.12 (A)10 100.10 10.10 R U I 7-3 -3 t ra t === (A) 10 100.10 10 R5R4R3R2 U I 4-3 max vao cm ==+++= B R1 90K R2 9K A C R3 900Ω R4 90Ω E R5 10Ω Uvµo Uht D Ura Rt¶i (3.22) (3.23) 44 Khi nµy sai sè g©y ra do ¶nh h−ëng cña dßng t¶i lµ: δt¶i ≤ 0,01(%) VËy sai sè tæng céng cña bé chia håi tiÕp trong tr−êng hîp nµy lµ: δKht ≤ 2δ(R) + δt¶i = 0,1 + 0,01 = 0,11(%) NhËn xÐt: Nh− vËy qua viÖc nghiªn cøu nguyªn lý ho¹t ®éng cña bé chia mÉu trong toµn bé d¶i ®iÖn ¸p lµm viÖc cña nguån chuÈn, cã thÓ x¸c ®Þnh r»ng sai sè cña bé chia ¸p håi tiÕp trong d¶i 1mV ÷ 10mV lµ lín nhÊt. §iÒu ®ã còng cã nghÜa lµ sai sè cña bé chia ¸p håi tiÕp trong toµn d¶i kh«ng v−ît qu¸ sai sè cña nã trong d¶i 1mV ÷ 10mV, tøc lµ: δKht ≤ 0,11(%). 3.2.3.5 Khèi suy gi¶m tù ®éng: a. C«ng dông: Khèi suy gi¶m lµm nhiÖm vô suy gi¶m tÝn hiÖu tõ ®Çu ra bé dao ®éng thµnh nhiÒu møc kh¸c nhau ®Ó cung cÊp cho bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt. b. Nguyªn lý ho¹t ®éng: S¬ ®å cÊu tróc cña khèi suy gi¶m tù ®éng ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3.13. H×nh 3.13 VÒ cÊu tróc, cã thÓ coi khèi suy gi¶m tù ®éng ®−îc cÊu t¹o tõ 3 chiÕt ¸p m¾c nèi tiÕp nhau. Mçi chiÕt ¸p cã thÓ thay ®æi ®−îc 64 b−íc b»ng nhau, nh− vËy toµn bé khèi suy gi¶m cã thÓ thay ®æi ®−îc sè b−íc lµ: Nb−íc = 64 x 64 x 64 = 262144 (b−íc) Tõ bé dao ®éng R R R Tíi khèi khuÕch ®¹i (3.24) 45 Sai sè thiÕt lËp ®iÖn ¸p ra do khèi suy gi¶m tù ®éng g©y ra chØ n»m trong ph¹m vi 1 b−íc chØnh. §iÖn ¸p ®−a ®Õn khèi suy gi¶m lµ tõ ®Çu ra bé dao ®éng. Møc ®iÖn ¸p nµy biÕn thiªn trong kho¶ng 0,8V ÷ 2V. XÐt tr−êng hîp khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo khèi suy gi¶m cã gi¸ trÞ lín nhÊt (2V), th× ®iÖn ¸p t−¬ng øng víi mét b−íc chØnh lµ: VËy sai sè g©y ra bëi khèi suy gi¶m tù ®éng cã thÓ tÝnh b»ng c«ng thøc: 3.2.3.6 Bé biÕn ®æi t−¬ng tù sè A/D: a. C«ng dông: Bé biÕn ®æi A/D cã nhiÖm vô biÕn ®æi ®iÖn ¸p mét chiÒu tõ bé t¸ch sãng thµnh tÝn hiÖu sè ®−a ®Õn bé so s¸nh ®Ó so s¸nh víi gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ®Æt. b. Nguyªn lý ho¹t ®éng: S¬ ®å nguyªn lý cña bé biÕn ®æi A/D thÓ hiÖn trªn h×nh 3.14. Bé biÕn ®æi A/D ®−îc x©y dùng trªn vi m¹ch AD7710 cã c¸c tham sè chÝnh sau: - D¶i biÕn ®æi cña ®iÖn ¸p tÝn hiÖu ®Çu vµo: tõ 1μV ÷ 2,5V - Sè bÝt N = 24 - HÖ sè khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i ®Çu vµo cã thÓ thay ®æi ®−îc trong ph¹m vi 1 ÷ 128 (V) 10 x 7,6 262144 2 U 6-==Δ (%) 0,038 100(%) x 2 10 x 7,7 100(%) x 2 ΔU δ -6 SG === (3.25) (3.26) 46 - Nguån chuÈn (n»m trong A/D 7710) cã cÊp chÝnh x¸c 10 –5 (theo tµi liÖu vÒ AD cña RS) Sai sè cña bé biÕn ®æi A/D bao gåm sai sè l−îng tö vµ sai sè biÕn ®æi: - Sai sè l−îng tö: XÐt tr−êng hîp g©y sai sè lín nhÊt lµ khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo bé A/D lµ 2,5V (gi¸ trÞ lín nhÊt cho phÐp) vµ hÖ sè khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i ®Çu vµo k = 1. H×nh 3.14 S¬ ®å nguyªn lý bé biÕn ®æi t−¬ng tù - sè A/D Ta cã: - Sai sè biÕn ®æi: Nguyªn nh©n g©y ra sai sè nµy lµ do sù phi tuyÕn cña ®Æc tuyÕn khuÕch ®¹i vµ sai sè cña nguån chuÈn: (%) 0,0000059 100(%) x 2,5 x 2 2,5 δ 24LTAD ≈= (%) 0,0016 100(%) x 0,0001) (0,0015 δ bdAD =+= (3.27) (3.28) 47 Trong ®ã: + Sai sè do sù phi tuyÕn cña ®Æc tuyÕn khuÕch ®¹i lµ 0,0015(%) + Sai sè cña nguån chuÈn lµ 0,0001(%) VËy sai sè tæng cña bé biÕn ®æi AD sÏ lµ: 3.2.3.7 Khèi t¸ch sãng Khèi t¸ch sãng cã nhiÖm vô chuyÓn ®æi tÝn hiÖu xoay chiÒu Uht thµnh ®iÖn ¸p mét chiÒu ®−a ®Õn ®Çu vµo bé biÕn ®æi A/D. Trong thùc tÕ cã ba nhãm chuyÓn ®æi ®iÖn ¸p xoay chiÒu thµnh ®iÖn ¸p mét chiÒu ®ã lµ chuyÓn ®æi theo gi¸ trÞ ®Ønh, hiÖu dông vµ gi¸ trung b×nh ®iÖn ¸p xoay chiÒu. Tuy nhiªn do h×nh d¹ng tÝn hiÖu ®· biÕt tr−íc nªn trong bµi to¸n thiÕt kÕ nµy sÏ tÝnh to¸n bé chuyÓn ®æi ®iÖn ¸p xoay chiÒu thµnh ®iÖn ¸p mét chiÒu theo gi¸ trÞ trung b×nh. Cã thÓ ph©n lo¹i c¸c bé chuyÓn ®æi gi¸ trÞ trung b×nh ®iÖn ¸p xoay chiÒu thµnh mét chiÒu theo c¸c dÊu hiÖu sau: - Ph−¬ng ph¸p chuyÓn ®æi mét hoÆc hai nöa chu kú thô ®éng. - Ph−¬ng ph¸p chuyÓn ®æi håi tiÕp ©m. - Ph−¬ng ph¸p lÊy ®Æc tuyÕn håi tiÕp. - Ph−¬ng ph¸p chuyÓn ®æi cã ®iÒu khiÓn. Trong thùc tÕ cã rÊt nhiÒu bé chuyÓn ®æi gi¸ trÞ trung b×nh ®iÖn ¸p xoay chiÒu ®−îc ®−îc x©y dùng theo c¸c ph−¬ng ph¸p trªn. Trong ®ã ph−¬ng ph¸p chuyÓn ®æi cã ®iÒu khiÓn lµ ph−¬ng ph¸p cã nhiÒu −u ®iÓm vµ tiªn tiÕn nhÊt. (%) 0,0016059 100(%) x 0,0000059) (0,0016 δ δ LTADbdAD =+=+ (3.29) 48 S¬ ®å rót gän cña ph−¬ng ph¸p nµy thÓ hiÖn trªn h×nh 3.15: U(t) U1(t) Uy(t) H×nh 3.15 M« h×nh ®¬n gi¶n vµ gi¶n ®å thêi gian cña bé t¸ch sãng trung b×nh cã ®iÒu khiÓn Bé chuyÓn ®æi nµy lµ thiÕt bÞ nh©n ®ång thêi hai ®iÖn ¸p: biÕn ®æi vµ ®iÒu khiÓn. Trong tr−êng hîp lý t−ëng khi Uy(t) vµ U(t) hoµn toµn ®ång pha, Uy(t) cã d¹ng xung vu«ng lý t−ëng th×: Tuy nhiªn trong thùc tÕ lu«n tån t¹i ng−ìng chuyÓn ®æi U0 cña bé ®iÒu khiÓn. §iÒu nµy sÏ lµm lÖch pha gi÷a U1(t) vµ Uy(t), tøc lµ sÏ tån t¹i mét ®é lÖch pha τ gi÷a hai ®iÖn ¸p. H¬n n÷a ®iÖn ¸p Uy(t) kh«ng thÓ nµo lµ xung lý t−ëng, mµ lu«n cã ®é réng s−ên xung. Do vËy sai sè cña bé chuyÓn ®æi nµy theo [19] cã thÓ ®−îc tÝnh: Trong ®ã: K Uy(t) U1(t) U(t) U(t) (t)U1 = 1 - U.K U cos m 0=δ (3.30) 49 U0: Ng−ìng chuyÓn ®æi cña bé ®iÒu khiÓn K: HÖ sè khuÕch ®¹i cña m¹ch khuÕch ®¹i trong bé ®iÒu khiÓn t¹o Uy(t) Um: Biªn ®é cña ®iÖn ¸p cÇn chuyÓn ®æi (tr−êng hîp nµy lµ U(t)) Tõ biÓu thøc (3.30) ta nhËn thÊy cã thÓ gi¶m nhá sai sè chuyÓn ®æi γ b»ng c¸ch: - Gi¶m nhá U0 vµ t¨ng hÖ sè khuÕch ®¹i K, ®iÒu nµy cã thÓ thùc hiÖn ®−îc khi chän linh kiÖn x©y dùng m¹ch ®iÒu khiÓn. - T¨ng Um thùc chÊt lµ ®−a d¶i ®éng cña bé chuyÓn ®æi nµy lªn vïng cao h¬n. S¬ ®å cÊu tróc cña bé t¸ch sãng lo¹i nµy ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3.16 H×nh 3.16 S¬ ®å khèi bé t¸ch sãng KhuÕch ®¹i lÆp l¹i KhuÕch ®¹i lÆp l¹i §¶o pha Trig¬ KhuÕch ®¹i lÆp l¹i A B Kho¸ ®iÖn tö R C Ura Uht Ud® 50 §iÖn ¸p tõ ®Çu ra bé dao ®éng (cã biªn ®é kho¶ng 2V), ®−îc ®−a ®Õn Trig¬ Smith. §Çu ra Trig¬ sÏ lµ c¸c xung vu«ng hai cùc tÝnh cã chu kú ®óng b»ng chu kú cña ®iÖn ¸p dao ®éng. TÝn hiÖu xung nµy ®−a ®Õn ®iÒu khiÓn sù ®ãng më cña hai kho¸ A vµ B. Cùc tÝnh d−¬ng cña xung ®iÒu khiÓn kho¸ ®ãng A, trong thêi gian A ®ãng, b¸n chu kú d−¬ng cña Uht sÏ ®i qua. B¸n chu kú ©m cña ®iÖn ¸p Uht sau khi ®i qua m¹ch ®¶o pha, sÏ qua kho¸ B (®−îc ®iÒu khiÓn bëi cùc tÝnh ©m cña xung ®iÒu khiÓn). KÕt qu¶ lµ ë ®Çu ra sÏ cã ®iÖn ¸p mét chiÒu, sau khi qua bé läc R-C sÏ thu ®−îc gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p håi tiÕp. Tõ gi¸ trÞ trung b×nh, cã thÓ dÔ dµng tÝnh ®−îc gi¸ trÞ ®Ønh cña Uht b»ng c¸ch nh©n gi¸ trÞ trung b×nh víi mét hÖ sè biÕn ®æi. Tõ s¬ ®å vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cã thÓ rót ra mÊy nhËn xÐt sau: - Ng−ìng chuyÓn tr¹ng th¸i cña Trig¬ Smith sÏ g©y nªn sai sè cho khèi t¸ch sãng. - Néi trë cña c¸c chuyÓn m¹ch ®iÖn tö còng ¶nh h−ëng sai sè cña khèi t¸ch sãng. Trong khèi t¸ch sãng, phÇn tö t¹o xung ®iÒu khiÓn lµ Trig¬ Smith, x©y dùng trªn vi m¹ch TL 082. Vi m¹ch nµy cã c¸c tham sè sau: + Ng−ìng chuyÓn ®æi tr¹ng th¸i: U0 = 200.10 –6 V + HÖ sè khuÕch ®¹i: K = 10 4 V× ta chän d¶i ®iÖn ¸p ®Çu vµo cña bé t¸ch sãng biÕn thiªn trong d¶i tõ 10mV ÷ 100mV, nªn trong tr−êng hîp ®iÖn ¸p vµo cña bé t¸ch sãng lµ 10mV th× theo biÓu thøc (3.30) sai sè cña bé t¸ch sãng sÏ lµ lín nhÊt: 0,05(%) 1 - 10x 10x 10 10x 10x 2 cos δ 3-4 -62 bd =≤ (3.31) 51 KÕt luËn: Tõ nh÷ng ph©n tÝch s¬ ®å cÊu tróc vµ c¸c khèi chøc n¨ng cã b¶n ta cã thÓ rót ra nh÷ng kÕt luËn sau: - Nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu ®−îc thiÕt kÕ trªn c¬ së s¬ ®å cÊu tróc ®· chän hoµn toµn cã thÓ ®¸p øng ®−îc c¸c chØ tiªu kü thuËt ®Æt ra - C¸c tÝnh to¸n vµ thö nghiÖm thùc tÕ ®èi víi c¸c khèi chøc n¨ng cho thÊy sai sè cña chóng ®ãng gãp vµo sai sè tæng cña nguån chuÈn møc hoµn toµn n»m trong giíi h¹n cho phÐp Trªn c¬ së c¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch ë c¸c ch−¬ng trªn, ®· cho phÐp ®ñ ®iÒu kiÖn thiÕt kÕ chÕ thö 01 nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu. C¸c kÕt qu¶ thö nghiÖm cho thÊy s¶n phÈm hoµn toµn ®¸p øng ®−îc c¸c chØ tiªu kü thuËt ®Ò ra vµ cã thÓ ®−a vµo øng dông trong thùc tÕ. L−u ®å thuËt to¸n ®iÒu khiÓn, c¸c s¬ ®å nguyªn lý vµ phÇn mÒm ®iÒu khiÓn cña s¶n phÈm ®−îc tr×nh bµy ë phÇn phô lôc. 52 KÕt luËn LuËn v¨n ®· ph©n tÝch ®−îc c¸c ®Æc tr−ng kü thuËt c¬ b¶n cña nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu còng nh− c¸c yÕu tè g©y nªn ®é bÊt æn ®Þnh cña c¸c tham sè ®ã. C¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch nµy lµ nh÷ng yÕu tè ®−îc quan t©m trong khi tÝnh to¸n, thiÕt kÕ c¸c nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu, ch¼ng h¹n nh− ¶nh h−ëng cña nguån nu«i, nhiÖt ®é m«i tr−êng, c¸c dao ®éng ký sinh ®Õn ®é æn ®Þnh cña ®iÖn ¸p ra. LuËn v¨n còng tr×nh bµy kh¸i qu¸t vÒ mét sè nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p hiÖn ®ang ®−îc sö dông réng r·i t¹i ViÖt nam. ViÖc ph©n tÝch cÊu tróc nguån chuÈn dùa theo hai nhãm cÊu tróc hë vµ cÊu tróc kÝn cã øng dông kü thuËt vi xö lý. C¸c th«ng sè kü thuËt cho thÊy c¸c nguån chuÈn møc ®iªn ¸p xoay chiÒu cã cÊu tróc kÝn cã ®é chÝnh x¸c còng nh− c¸c tÝnh n¨ng ®o l−êng kh¸c cao h¬n h¼n so víi c¸c nguån chuÈn møc cã cÊu tróc hë. C¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch ë ch−¬ng 2 còng chøng tá c¸c −u ®iÓm v−ît tréi vÒ ®é chÝnh x¸c còng nh− ®é æn ®Þnh ®iÖn ¸p ra cña nguån chuÈn møc cã cÊu tróc kÝn. MÆc dï viÖc chÕ t¹o c¸c nguån chuÈn møc lo¹i nµy phøc t¹p h¬n do s¬ ®å phøc t¹p còng nh− yªu cÇu vÒ ®é æn ®Þnh cña c¸c nguån chuÈn møc, tuy nhiªn vÊn ®Ò nµy hoµn toµn cã thÓ gi¶i quyÕt ®−îc nhê øng dông kü thuËt sè vµ vi xö lý. ViÖc tÝnh to¸n thiÕt kÕ, chÕ t¹o mét nguån chuÈn møc thö nghiÖm ®É chøng tá tÝnh ®óng ®¾n cña c¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch lý thuyÕt. Nguån chuÈn møc d−íi d¹ng mét s¶n phÈm hoµn chØnh ®· më ra mét triÓn väng cho viÖc tù thiÕt kÕ, chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ ®o l−êng nãi chung vµ nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu cã chÊt l−îng cao nãi riªng phôc vô nhu cÇu trang bÞ cho c¸c c¬ së ®o l−êng trong qu©n ®éi H−íng ph¸t triÓn tiÕp theo cña luËn ¸n: Hoµn thiÖn c«ng nghÖ thiÕt kÕ chÕ t¹o nguån chuÈn møc ®iÖn ¸p xoay chiÒu 53 Hoµn thiÖn c¸c thuËt to¸n tÝnh to¸n ®Ó lµm c¬ së cho viÖc x©y dùng c¸c phÇn mÒm tù ®éng thiÕt kÕ c¸c kh©u c¬ b¶n trong nguån chuÈn møc. Trªn c¬ së tÝnh to¸n c¸c kÕt qu¶ bé suy gi¶m tù ®éng vµ bé chia ¸p mÉu, thiÕt kÕ c¸c bé suy gi¶m ®Çu ra cho c¸c m¸y ph¸t vµ c¸c ph−¬ng tiÖn ®o kh¸c.