Luận văn Thiết kế và thi công mô hình máy đo tần số hiển thị số dùng trong giảng dạy

Luận Aùn tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY ĐO TẦN SỐ HIỂN THỊ SỐ DÙNG TRONG GIẢNG DẠY SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN VĂN KHÁNH NGUYỄN MINH TỨ LỚP: 95 KĐĐ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:CÔ VŨ BẢO TUYÊN Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 1 Luận Aùn tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA : ĐIỆN BỘ MÔN : ĐIỆN TỬ NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Giáo viên hướng dẫn : cô VŨ BẢO TUYÊN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN KHÁNH NGUYỄN MINH TỨ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN XÉT DUYỆT ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 2 Luận Aùn tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số ................................................................................................................... ................................................................................................................... .................................................................................................................. ................................................................................................................... .................................................................................................................. ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... .................................................................................................................. ................................................................................................................... .................................................................................................................. ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 3 Luận Aùn tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA : ĐIỆN BỘ MÔN : ĐIỆN TỬ NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Giáo viên xét duyệt: Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN KHÁNH NGUYỄN MINH TỨ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN XÉT DUYỆT ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 4 Luận Aùn tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số .................................................................................................................. ................................................................................................................... ................................................................................................................... .................................................................................................................. ................................................................................................................... .................................................................................................................. ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... .................................................................................................................. ................................................................................................................... .................................................................................................................. ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... ................................................................................................................... .................................................................................................................. GIÁO VIÊN XÉT DUYỆT Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 5 Luận Aùn tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số MỤC ĐÍCH VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI I./ Mục đích của đề tài: Đề tài mô hình máy đo tần số được ứng dụng làm đồ dùng dạy học cho môn học đo lường điện. Thiết bị đo tần số có nhiều loại và nhiều phương pháp đo như máy đo tần số chỉ thị kim, máy đo tần số chỉ thị rung, máy đo tần số chỉ thị số.v.v… Trong luận văn tốt nghiệp, chúng em tìm hiểu mạch điện và thi công máy đo tần số chỉ thị số dưới dạng mô hình dùng trong giảng dạy. Mô hình này sử dụng các linh kiện vi mạch số nhằm giới thiệu cho người hiểu thêm ứng dụng cuả vi mạch số trong các thiết bị đo lường điện. Mô hình máy đo tần số chỉ thị số sau khi thi công được dùng cho việc giảng dạy và học tập cuả sinh viên trường đại học sư phạm kỹ thuật trong môn học đo lường điện. II./ Giới hạn đề tài: Các thiết bị đo lường điện dùng các kỹ thuật số rất đa dạng và nhiều chức năng nhưng do thời gian hạn chế nên chỉ thực hiện những điều cơ bản: tìm hiểu về các loại máy đo tần số, cấu trúc và nguyên lý hoạt động cuả vi mạch số. Sau cùng là thiết kế, thi công mạch đo tần số dùng vi mạch số cơ bản. Giới hạn tần số làm việc cuả máy trong khoảng tần số 2 HZ đến 20 KHZ, biên độ tín hiệu cần đo cao nhất có thể đáp ứng được là 15 V và thấp nhất là 100mV. Nguồn điện cung cấp cho máy là 220 V. Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 6 Luận Aùn tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số MỤC LỤC Lời nói đầu Chương I : Tổng Quan Về Đo Lường Điện I. Sai số và cấp chính xác II. Các loại thiết bị đo tần số Chương II : Cơ Sở Lý Luận III. Giới thiệu về vi mạch số IV. Các mạch taọ dao động V. Cấu tạo mạch đếm VI. Mạch giải mã và hiển thị VII. Giao tiếp công suất Chương III : Thiết Kế Mạch Đếm Tần Số I. Sơ đồ khối toàn mạch II. Mạch dao động chuẩn III. Mạch chia tần số tín hiệu ngõ vào và mạch khống chế thời gian đếm trong 1 giây IV. Mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào V. Mạch đếm và giải mã VI. Mạch hiển thị VII. Mạch nguồn Chương IV : Thi Công I. Hình dạng mô hình II. Sơ đồ nguyên lý 1. Mạch ngõ vào 2. Mạch dao động chuẩn 3. Mạch đếm và giải mã 4. Mạch hiển thị III. Lắp ráp và cân chỉnh thiết bị Chương VI: Kết Luận Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 7 Luận Aùn tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Chương I TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN I/ SAI SỐ VÀ CẤP CHÍNH XÁC: 1/ Nguyên nhân sai số: Mọi phép đo đều có sai số. Sai số do các nguyên nhân khác nhau gây ra như dụng cụ đo, do điều kiện tiến hành phép đo và do người đo. Dụng cụ đo được chế tạo với độ chính xác khác nhau và giá trị đọc được từ dụng cụ đo. Độ chính xác bản thân dụng cụ đo còn phụ thuộc vào môi trường. Mức độ ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo tùy thuộc vào kết cấu cụ thể của dụng cụ đo. Người ta cũng đưa thêm một đại lượng sai số đáng kể vào kết quả đo. Sai số do người đo, trước hết là sai số đọc đặc biệt khi phải suy với thang đo phi tuyến. Khi kim chỉ nằm giữa hai độ khắc vạch người đọc cần phải phán đoán giá trị gần đúng của kết quả đo. Sai số ngoại suy không quá 0,5 giá trị giữa hai vạch khắc độ. Ngoài ra còn phụ thuộc vào trình độ sử dụng dụng cụ đo, người đo còn gây ra những sai số khác nữa. Nhưng sai số này có thể rất lớn, và ta gọi nó là phép đo sai số, phải loại bỏ khi tính toán. 2/ Phân loại sai số: Người ta chia sai số ra làm 2 loại theo tính chất thống kê. a/ Sai số hệ thống: Là sai số có giá trị xác định trong những điều kiện xác định. Do đó ta có thể biết trước được giá trị này và tính bù vào kết quả đo, tức là ta có thể bỏ sai số hệ thống khỏi kết quả đo sau khi tính toán. b/ Sai số ngẫu nhiên: Là sai số có giá trị ngẫu nhiên khi tiến hành các phép đo cùng điều kiện. Để có được các kết quả đo chính xác ta dùng phương pháp thống kê, lấy trung bình cộng các kết quả đo, với số phép đo rất lớn. Cần nhớ rằng phép lấy trung bình cộng không thể loại bỏ sai số hệ thống. Việc phân chia sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên cũng có tính chất tương đối. Cùng một nguyên nhân gây ra sai số, tùy thuộc vào điều kiện nghiên cứu, lúc này có thể coi là sai số ngẫu nhiên, lúc khác có thể coi là sai số hệ thống. Nói chung khi sai số được coi là sai số hệ thống nếu ta biết rõ nguyên nhân và mức độ gây ra sai số của tác động ấy. Nếu ta chỉ quan tâm Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 8 Luận Aùn tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số đến tính chất thống kê của sai số, không khống chế nguyên nhân gây ra sai số, sai số sẽ có tính chất ngẫu nhiên. Việc lấy trung bình cộng chỉ có thể loại được sai số ngẫu nhiên nếu số lượng phép đo đủ lớn, sau cho tác động gây ra sai số ngẫu nhiên biến đổi trong phạm vi lớn, sai số ngẫu nhiên có dạng phân bố chuẩn . 3/ Cấp chính xác của dụng cụ đo: Cấp chính xác của một dụng cụ hay thiết bị đo là tỉ số tính theo phần trăm giữa sai số lớn nhất cho phép trong điều kiện làm việc bình thường của thiết bị đo với giá trị định mức của thiết bị đó. Do đó khi sử thiết bị đo lường chúng ta cần quan tâm đến cấp chính xác của thiết bị đo được ghi trên máy hoặc trong sổ tay kỹ thuật của thiết bị đo. Để từ cấp chính xác này chúng ta sẽ đánh giá được sai số của kết quả đo. Ví dụ một vôn kế có ghi cấp chính xác là 1 nghĩa là giới hạn sai số của nó cho tầm đo là 1%. II/ CÁC LOẠI THIẾT BỊ ĐO TẦN SỐ: 1/ Tần số kim chỉ kiểu tỉ số kế điện động: Hình II.1a Tần số kim chỉ kiểu tỉ số điện động, cơ cấu đo là tỉ số điện động. Cuộn tĩnh được mắc nối tiếp nối tụ điện C1. Cuộn động 1 được mắc nối tiếp với tụ C2, cuộn động 2 được mắc nối tiếp với điện cảm LF. Chọn giá trị điện cảm L đủ lớn, và các tụ điện có giá trị đủ nhỏ để có thể bỏ qua ảnh hưởng của điện trở bản thân các cuộn dây của tỉ số kế. Từ (H.II.1) ta thấy o dòng I1 sẽ cùng pha với dòng It, còn I2 chậm pha 180 so với 2 dòng kia. Để loại bỏ gốc chậm pha này, ta bảo đầu cuộc dây động 2 và lúc này cả 3 dòng điện qua dòng tĩnh và hai cuộn động đồng pha, không phụ thuộc vào tần số nguồn. Giá trị hiệu dụng các dòng điện qua các cuộn dây động được tính: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 9 Luận Aùn tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số I  2f .U.C 1 U I  2 2f .L Như vậy gốc  chỉ của kim sẽ tương ứng với giá trị:  I1Cos1 I1 2   2f  .LC2 I2Cos 2 I2 Với các giá trị L,C đã biết và không thay đổi ta xác định được giá trị tần số nguồn theo chỉ số  của kim. Người ta khắc độ trực tiếp lên mặt độ số. Để tăng độ nhạy trong phạm vi đo từ f1 đến f2 tức là phạm vi cần đo của tầng số kế ta thay L và C2 bằng hai mạch cộng hưởng nối tiếp với tần số cộng hưởng nhỏ hơn f1, vị trí C2 được thay bằng mạch cộng hưởng nối tiếp tầng số cộng hưởng cao hơn f2. Với mọi tần số trong khoảng f1 đến f2, mạch cộng hưởng 1 luôn có tính chất điện cảm, cộng hưởng 2 luôn có tính chất điện dung, với điều kiện pha tương tự như khi mắc L và C2, nhưng với mạch cộng hưởng trở kháng ở lân cận tần số cộng hưởng thay đổi rất nhanh theo tần số, vì vậy độ nhạy cao hơn. 2./ Tần số kim chỉ kiểu tỉ số từ điện: Hình. II.2 Người ta có thể dùng cơ cấu đo là tỉ số kế từ điện để tạo tần số kế kim chỉ. Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 10 Luận Aùn tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Nhưng tỉ số kế từ điện chỉ đo được dòng một chiều do đó ta phải dùng mạch chỉnh lưu. Và vì đã dùng mạch chỉnh lưu nên ta không phải quan tâm đến pha của các dòng điện nên mạch đo cũng đơn giản hơn. Cuộn động 1 được nối đến đường chéo của cầu chỉnh lưu (I), cuộn động 2 được nối đến đường chéo cầu chỉnh lưu (II). Dòng qua cuộn 1 là dòng chỉnh lưu của mạch chứa điện dung, còn dòng qua cuộn 2 là dòng chỉnh lưu của mạch chứa điện trở. Bỏ qua trở kháng vào của các cầu chỉnh lưu. Ta có: U I = R R I = 2 f .C.U C Tỉ số kế đo tỉ số dòng qua cuộn 1 và cuộn 2 chính là đo tỉ số giữa IR và IC I 2 f .C C = I R R Như vậy ta có thể khắc độ tỉ số kế trực tiếp theo tần số. Để tăng độ nhạy, ta có thể thay C bằng 1 mạch cộng hưởng nối tiếp, cộng hưởng ở tần số thấp hơn hoặc cao hơn bằng tần số cần đo. 3/ Tần số kế kiểu rung: Tần số kế kiểu rung dựa vào hiện tượng cộng hưởng cơ học. Nó cấu tạo như hình (H.II.3). Gồm 1 nam châm điện (1), lõi làm bằng thép lá kỹ thuật điện, thuộc loại sắt từ mềm. Nam châm điện hút giá đỡ (2) của bộ rung. Trên giá rung gắn các lá rung (3), có tần số cộng hưởng riêng khác nhau. Nếu tần số nguồn đo là 50Hz, ta chọn cả lá rung có tần số cộng hưởng riêng khoảng 88  100Hz cách nhau 1 Hz. Khi cấp nguồn có tần số cần đo cho cuộn dây nam châm điện, cuộn dây hút giá đỡ bộ rung. Do dòng điện qua nam châm điện thay đổi theo thời gian, lực hút của nam châm cũng thay đổi theo thời gian, tần số thay đổi của lực hút bằng 2 lần tần số nguồn điện, các lực rung bị rung theo. Lực hút thay đổi làm giá trị bị rung theo, với tần số của lực hút, tức 2 lần tần số nguồn. Do tính chất cộng hưởng lá rung, lá rung có tần số riêng bằng tần số của lực sẽ rung mạnh nhất. Quan sát các bản rung, ta sẽ biết bản nào rung mạnh nhất, từ đó xác định tần số của nguồn điện cần đo. Để tiện sử dụng người ta không khắc độ bản rung tần số