Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 49 -
Hình 2-20. Vôn kế transistor khuếch đại hồi tiếp.
Transistor Q
3
được cấp nguồn V
EE
= +4,5V, điện áp tiếp giáp B-E của Q
3
là
0,7Vù. Nếu mạch thiết kế để sao cho I
C3
= 1mA, thì sụt áp trên R
5
sẽ là:
V
R5
= I
C3
R
5
= 1mA.12KΩ = 12 V;
Và V
C3
= –V
CC
+ V
R5
= –12V + 12V = 0V.
V
B2
≡ V

C3
= 0V.
Như vậy thế cực đáy của Q
1
và Q
2
đều bằng 0V khi điện áp vào V
i
= 0.
Với cách mắc Q
3
như vậy làm cho điện áp base Q
2
luôn luôn cân bằng với
điện áp base của Q
1
. Thật vậy, ta giả sử rằng V
B2
< V
B1
, dẫn tới dòng I
C2
< I
C1
và làm
cho V
R2
tăng lên, khiến V
C1
giảm, dòng đáy I

B3
tăng, I
C3
tăng và V
R5
tăng làm cho
V
C3
tăng kéo V
B2
tăng trở lại. Ngược lại, nếu V
B2
> V
B1
thì quá trình hồi tiếp sẽ làm
cho I
C3
giảm, V
C3
giảm và kéo V
B2
giảm xuống bằng V
B1
.
Như vậy trong mọi trường hợp thế đáy Q
1
và Q
3
luôn tự động cân bằng lẫn
nhau. Nếu thế đáy của Q

1
tăng lên cao hơn hoặc xuống thấp hơn mức 0 thì đáy của
Q
2
cũng biến đổi lặp lại đúng như vậy. Nếu mắc máy đo vào đầu ra như trên hình vẽ
2-20, mạch sẽ hoạt động giống như một vôn kế mạch gánh emiter tuyệt vời. Để mạch
có thể hoạt động tốt các transistor Q
1
và Q
2
phải hoàn toàn giống nhau.
Bây giờ giả sử mắc thêm một điện trở R
3
= 100 Ω (đường chấm chấm), mạch
vẫn duy trì trạng thái cân bằng thế đáy của Q
2
và Q
1
.
Khi tác dụng vào đáy Q
1
điện áp V
i
= 10mV, đầu ra cũng tăng tới mức điện
áp V
B2
= 10mV. Vì R
3
và R
4

là bộ chia áp nên điện áp trên điện trở (R
3
+ R
4
) là:

3
43
10
R
RR
mVV
o
+
⋅=

Hay
V
K
mV
R
RR
VV
io
1
100
1009,9
10
3
43

=
Ω
Ω
+
Ω
⋅=
+
⋅=
;
Như vậy điện áp vào 10mV đã được khuếch đại lên thành điện áp ra 1V, và
độ lớn 1V có thể đưa vào cơ cấu đo. Độ khuếch đại của mạch là:

3
43

R
RR
A
V
+
=

–Ví dụ: Mạch vôn kế khuếch đại hồi tiếp như hình 2-21 sử dụng điện kế từ
điện có dòng lệch toàn thang I
g
= 1mA. Điện trở của mạch máy đo là R
S
+ R
g
= 1KΩ.

Hãy xác đònh điện áp đầu vào khi kim máy đo chỉ 25% độ lệch toàn thang, tính dòng
I
C3
lúc đó.
Ta có khi điện kế chỉ 25% độ lệch toàn thang có nghóa là dòng qua máy đo
lúc này bằng:
I
g
= 25% 1mA = 0,25 mA;
Điện áp ra: V
o
= I
g
(R
S
+R
m
) = 0,25 mA. 1K
Ω
= 250 mV;
Điện áp vào:

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 50 -

mV
K
mV
RR
R

VVV
oRi
5,2
9,9100
100
.250
43
3
3
=
Ω+Ω
Ω
=
+
==
.

Dòng trên collector Q
3
sẽ là:

mAmA
K
VmV
K
mA
I
R
VV
RR

V
IIII
g
CCoo
gRRC
3,125,0
12
)12(250
9,9100
250
)(
543
543
≈+
Ω
−−
+
Ω+Ω
=
+
−−
+
+
=++=

3.5.Vôn kế sử dụng mạch khuếch đại thuật toán (OP- AMP).
3.5.1. Vôn kế dùng mạch khuếch đại lặp lại.
Sơ đồ của vôn kế trên khuếch đại thuật toán mắc theo kiểu lặp lại điện áp
như trên hình 2-22. Tầng lặp lại điện áp dùng OP-AMP có ưu điểm là mạch đơn giản,
trở kháng lối vào rất lớn, trở kháng ra nhỏ dễ phối hợp với mạch đo.

Ra
Rd
Rb
Rc
+
-
R4
Rs+Rg
Bộ suy giảm
đầu vào
+V
cc
cc
-V
Mạch lặp lại điện áp
Mạch máy đo
V
i

Hình 2-22. Vôn kế dùng mạch khuếch đại thuật toán
3.5.2. .Vôn kế khuếch đại trên OP-AMP.
Đối với các tín hiệu điện áp nhỏ cần phải khuếch đại lên mức cần thiết trước
khi đưa vào mạch đo. Sơ đồ mạch vôn kế khuếch đại cơ bản như hình 2-23.

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 51 -

Rs+Rg
R4
+

-
R3
I
I
cc
+V
-V
cc
B
4
Vi
Vo

H
ình 2-23. Vôn kế khuếch đại trên OP-
A
MP







Mạch mắc theo kiểu khuếch đại không đảo. Hệ số khuếch đại của mạch phụ
thuôc vào tỷ số của mạch phân áp trên R
3
và R
4
:


3
4

1
R
R
A
V
+=
(2-17)
Dòng qua bộ phân áp I
4
được chọn lớn hơn rất nhiều so với dòng vào I
B
, do đó
dòng I
B
không có ảnh hưởng lớn tới điện áp hồi tiếp. Điện trở toàn phần R
3
+R
4
được
tính như sau:
R
3
+ R
4
= V
o

/ I
4
(2-18)
Vì V
R3
= V
i
nên:
R
3
= V
i
/ I
4
(2-19)
–Ví dụ: Sơ đồ của một vôn kế khuếch đại trên OP-AMP như hình 2-23. Hệ số
khuếch đại điện áp của OP-AMP là A
V
= 200.000 và dòng đònh thiên vào I
B
= 0,2 µA.
Điện áp cần đo có giá trò cực đại 20 mV; Cơ cấu đo có dòng lệch toàn thang là I
g
=
100µA, R
S
+ R
g
= 10KΩ. Hãy xác đònh các giá trò thích hợp của R
3

và R
4
và tính điện
trở vào của vôn kế.
Từ hình vẽ ta có: Điều kiện đặt ra là I
4
>> I
B
, Ta chọn:
I
4
= 1000 I
B
= 1000 . 0,2 µA = 0,2 mA
Tại độ lệch toàn thang đo: I
g
= 100 µA và:
V
o
= I
g
(R
S
+ R
g
) = 100µA . 10KΩ = 1V.
Ta có: R
3
+ R
4

= V
o
/ I
4
= 1V / 0,2 mA = 5KΩ
R
3
= V
i
/ I
4
= 20 mV / 0,2mA = 100Ω;
R
4
= (R
3
+ R
4
) – R
3
= 5KΩ – 100Ω = 4,9 KΩ;
Điện trở vào của mạch đo: R
i
= V
i
/ I
B
= 20mV / 0,2 µA = 100 KΩ.

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 52 -
3.5.3. Vôn kế sử dụng mạch biến đổi điện áp thành dòng điện.
Sơ đồ nguyên lý mạch chỉ ra trên hình 2-24.


+
-
I
Rg
R3
I
cc
+V
-V
cc
B
Vi
Vo
V
R3
B

H
ình 2-24. Vôn kế sử dụng mạch biến đổi điện áp thành dòng điện












Với mạch khuếch đại không đảo, điện áp trên R
3
(V
R3
) luôn biến đổi lặp lại
giá trò của điện áp vào. Như vậy dòng chạy qua điện kế sẽ là:

3

R
V
I
i
=
(2-20)
Nếu biết dòng lệch toàn thang của điện kế là I
g
thì giá trò của điện trở R
3
sẽ
được tính:
R
3
= V
i

/ I
g
(2-21)

Điện trở R
3
thường được thiết kế thành một phần cố đònh và một phần là biến
trở có thể điều chỉnh được. Với cách mắc như vậy ta dễ dàng chuẩn độ được thang đo
của đồng hồ.
–Ví dụ: Cho mạch vôn kế sử dụng mạch biến đổi điện áp thành dòng điện như hình
2-24. Cơ cấu đo có dòng lệch toàn thang là I
g
= 1mA, R
g
= 100 Ω. Hãy tính giá trò
của điện trở R
3
sao cho với điện áp vào là V
i
=1V thì kim điện kế chỉ độ lệch toàn
thang. Xác đònh điện áp tối đa ở đầu ra của OP-AMP.
Ta có :
R
3
= V
i
/ I
g
= 1V / 1mA = 1KΩ
V

o
= I(R
3
+ R
g
) = 1mA (1 kΩ + 100 Ω) = 1,1 V.

3.6. Đo điện áp xoay chiều.
Do cơ cấu từ điện chỉ đo được các điện áp một chiều. Để dụng cụ có thể đo
được điện áp dòng xoay chiều, người ta sử dụng các mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ hoặc
cả chu kỳ trên các linh kiện bán dẫn. Đối với các điện áp xoay chiều thấp cần được
khuếch đại lên trước khi chỉnh lưu và đưa vào mạch đo. Tùy thuộc vào trò số điện áp
cần đo mà thiết kế mạch tách sóng tương ứng:
– Tách sóng đỉnh (hoặc biên độ);

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 53 -
– Tách sóng trung bình;
– Tách sóng hiệu dụng.
3.6.1. Các mạch tách sóng đỉnh.
Trong mạch tách sóng đỉnh, biên độ của điện áp ra tỉ lệ với trò số biên độ điện
áp vào: V
o
= ⎜V
imax
⎜. Có 3 kiểu tách sóng đỉnh:
a)Tách sóng đỉnh ngõ vào diode.
Sơ đồ nguyên lý của mạch tách sóng đỉnh ngõ vào diode trên hình 2-25, a.
Hình 2-25
C

Vi
D
Ri
Vo
+
V
o
t
a) b)


Khi V
i
> V
C
(thế trên tụ), diode D dẫn, tụ C được nạp tới V
imax.

Khi V
i
< V
C,
diode D bò khóa, tụ C xả điện qua điện trở R
i.
Điện áp lối
ra biến đổi theo quy luật:

CR
t
io

i
eVV

max
.
−
= (2-22)
Nếu R
i
lớn thì V
o
≅ V
imax.
–Nhận xét. Mạch khảo sát mắc phải sai số do thế phân cực thuận cho diode: V
D
,
đồng thời phụ thuộc vào điện trở thuận R
th
và điện trở nghòch R
ng
của diode.
– Khi V
i
> V
D
, diode mới dẫn. Khi diode dẫn thì điện trở thuận R
th
của diode
thay đổi theo dòng đổ qua diode, dẫn tới làm thay đổi thời hằng của mạch
nạp τ

n
= R
th
C.
– Do tồn tại điện trở nghòch của diode R
ng
mắc

song song với R
i
, nên khi diode
ngưng dẫn, tục C xả qua điện trở R
i
// R
ng
, dẫn đến làm thay đổi thời hằng của
mạch phóng
C
RR
RR
ngi
ngi
P
.
+
=
τ
.
b) Tách sóng đỉnh ngõ vào tụ. (Phương pháp mạch ghim điện áp).
+ Mạch ghim đỉnh dương (hình 2-26, a)

– Ở bán kỳ dương của điện áp tín hiệu, D thông , tụ C được nạp tới trò đỉnh V
P
.

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 54 -
. – Ở bán kỳ âm, diode D khóa, thế atốt của D bằng thế vào hình sin cộng với V
P
,
kết quả mức DC của điện áp ra bò dòch xuống dưới trục hoành một mức bằng V
P
. Nếu
mắc lối ra với cơ cấu đo, ta sẽ đo được trò trung bình của điện áp V
o
, tức giá trò đỉnh
V
P.
C
C
Ri
Vi
D
Vo
+
D
Vi
Ri
+
Vo
V

o
V
P
t
V
o
V
P
t
a)
b)

Hình 2-26. Phương pháp mạch ghim điện áp

+ Mạch ghim đỉnh âm (hình 2-26, b).
Sơ đồ ghim đỉnh âm chỉ ra trên hình 2-26, b. Hoạt động của mạch tương tự như
ở sơ đồ ghim đỉnh dương. Ở bán kỳ âm tín hiệu D thông , C nạp tới trò đỉnh V
P
với cực
tính như hình vẽ. Ở bán kỳ dương của tín hiệu, D khóa, điện áp ra trên tải R
i
bằng thế
vào hình sin cộng với V
P,

c) Mạch tách sóng biên độ dùng OP-AMP.
Các mạch tách sóng đỉnh (hoặc biên độ) ở trên đều mắc phải sai số do thế
phân cực thuận cho diode V
D
, do vậy khi điện áp tín hiệu bé gây méo phi tuyến đáng

kể. Hiện nay trong các thiết bò đo người ta dùng phổ biến các mạch tách sóng biên độ
trên khuếch đại thuật toán (hình 2-27).

+
-
Ct
R1
R2
D1
D2
Rt
Vi
Vo
V1
V2







Hình 2-27. Tách sóng biên độ trên OP-AMP
Mạch mắc theo sơ đồ khuếch đại đảo. Ở những nửa chu kỳ dương của điện
áp tín hiệu V
i
, điện áp V
2
lối ra OP-AMP sẽ âm, diode D
1

mở, D
2
khoá. Lối ra của
khuếch đại thuật toán nối với lối vào qua điện trở thuận rất nhỏ của D
1
nên tạo ra hồi

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 55 -
tiếp âm sâu. Kết quả điện áp trên lối ra OP-AMP bằng điện áp trên lối vào của nó
và gần bằng 0. Điện áp lối ra của mạch tách sóng cũng bằng 0. Ở những nửa chu kỳ
âm của điện áp điện áp V
i
, thế lối ra V
2
của OP-AMP sẽ dương làm D
1
khóa và D
2

mở. Lúc này điện áp trên lối ra của mạch tách sóng sẽ xác đònh theo hệ thức:

1
2
2

R
R
VVV
io

⋅−==
(2-23)
3.6.2. Vôn kế tách sóng trung bình.
Để đo trò trung bình của điện áp tín hiệu, người ta sử dụng mạch tách sóng
trung bình. Điện áp lối ra tính theo công thức:

dttv
T
V
T
tb
∫
=
0
)(
1
(2-24)
Các phần tử tách sóng là diode Ge hoặc Si làm việc trên đoạn thẳng của đặc
tuyến, do vậy tín hiệu đưa vào phải đủ lớn.
Sơ đồ mạch của một vôn kế chỉnh lưu trung bình được chỉ ra trên hình 2-28. Ở
đầu vào là tụ ghép C
1
để ngăn các thành phần một chiều không mong muốn. Tín hiệu
được đưa qua mạch suy giảm lối vào, sau đó qua tầng khuếch đại lặp lại trên OP-
AMP để tăng trở kháng lối vào của mạch. Điện áp lối ra của mạch lặp áp được đưa
qua mạch chỉnh lưu trước khi đưa tới mạch máy đo.
Vì các giá trò: trò đỉnh V
p
, trò hiệu dụng V, trò trung bình V
tb

đều có mối liên hệ
với nhau, nên có thể khắc độ đồng hồ theo một trong 3 đại lượng:
VV
P
2= ; (2-25)

P
VV
2
1
= ; (2-26)

P
P
Ptb
V
V
dVV 6,0
2
sin
1
0
≈==
∫
π
θθ
π
π
(2 -27)








C1
+
-
Rs
+Vcc
-Vcc
Rg
R1
R2
R3
Vi
Vo
Tụ ghép Mạch suy giảm
Mạch KĐ lặp
Chỉnh lưu
Mạch máy đo



Các quan hệ trên không thay đổi đối với mọi tần số dạng sóng sin. Với các
điện áp khác dạng sin phải tiến hành hiệu chỉnh.
H
ình 2-28. Vôn kế tách sóng trung bình
ỉ


Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 56 -
Đối với mạch chỉnh lưu nửa sóng như hình 2-28 thì sụt áp thuận trên diode V
D

sẽ gây ra sai số cho mạch đo. Khi thiết kế thường có tính đến đối với độ lệch toàn
thang. Tuy nhiên, ở các điểm khác trên thang đo sẽ xuất hiện sai số do V
D
gây ra,
mặt khác giá trò của V
D
không phải luôn luôn bằng 0,7V đối với diode Si như thường
giả đònh, mà nó thay đổi theo nhiệt độ.
Để loại bỏ sai số do điện áp ngưỡng V
D
gây ra ngøi ta mắc diode chỉnh lưu
trong vòng hồi tiếp của mạch lặp áp như hình 2-29. Kết quả đầu ra bộ chỉnh lưu nửa
sóng lặp lại chính xác nửa chu kỳ dương của điện áp vào. Các tụ điện C
2
, C
3
và C
4

mắc song song với các điện trở của bộ suy giảm nhằm mục đích bù trừ điện dung vào
của bộ khuếch đại đối với điện áp xoay chiều.
C1
Rs
+

-
C2
C3
C4
-Vcc
R2
R3
+Vcc
Rg
R1
Chỉnh lưu chính xác
Vi
Vo

Hình 2-29. Vôn kế sử dụng mạch chỉnh lưu chính xác
Đối với các điện áp xoay chiều nhỏ cần được khuếch đại chính xác trước khi
chỉnh lưu và đưa vào mạch đo. Mạch khuếch đại chỉnh lưu nửa sóng chính xác như
hình 2-30. Hệ số khuếch đại của mạch phụ thuộc tương quan giữa các điện trở của
cầu phân áp R
2
, R
3
:

3
32
R
RR
A
V

+
=
(2-28)

Rs
+
-
C1
-Vcc
+Vcc
Rg
R1
R2
R3
D1
Khuếch đại chỉnh lưu
Vi
Vo











Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 57 -
H
ình 2-30. Vôn kế xoay chiều đo các tín hiệu nhỏ
Việc tính toán các điện trở phụ nối tiếp với cơ cấu đo cũng hoàn toàn tương tự
như các tính toán đối với các vôn kế từ điện. Tuy nhiên trong trường hợp này, điện
áp tối đa đặt vào điện kế và điện trở nối tiếp với nó là A
V
V
i
.
Trên hình 2-31 là mạch biến đổi điện áp thành dòng điện với bộ chỉnh lưu nủa
sóng. Hoạt động của mạch tương tự như mạch hình 2-24 đối với những nửa chu kỳ
dương của điện áp tín hiệu. Trong các nửa chu kỳ âm, diode bò thiên áp ngược nên
khóa và không có dòng qua máy đo.
Dòng cực đại qua máy đo là:

S
iP
m
R
V
I
=
(2-29)
Dòng trung bình qua máy đo là :

I
tb
= 1/2 (0,637 I
m

) (2-30)
Hình 2-31. Mạch biến đổi điện áp thành dòng điện với chỉnh lưu nửa sóng
Rs
+
-
C1
-V
+V
Rg
R1
D1
Vi
Dòng qua máy đo
Để giảm tổn hao nguồn và tăng độ nhạy của mạch đo thường sử dụng mạch
chỉnh lưu toàn sóng như hình 2-32. Lúc này, dòng cực đại của máy đo vẫn tính theo
công thức (2-29), tuy nhiên dòng trung bình qua máy đo sẽ tăng gấp đôi, tức là:

I
tb
= 0,637 I
m
(2-31)
+
-
C1
-
+
Rs
R1
+V

-V
Vi
Rg
Dòng qua máy đo

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 58 -
Hình 2-32. Bộ đổi điện áp thành dòng điện với bộ chỉnh lưu toàn sóng chính xác.
3.6.3. Vôn kế tách sóng hiệu dụng.
Để đo trò hiệu dụng của điện áp tín hiệu, sử dụng các mạch tách sóng hiệu
dụng. Ta có, trò hiệu dụng của điện áp tính theo công thức:

∫
=
T
dttu
T
U
0
2
)(
1
(2-32)
Mạch phải thực hiện 3 chức năng: bình phương, lấy trung bình và khai căn.
Muốn vậy phải có các phần tử sau:
– Phần tử tách sóng có đặc tuyến bậc 2 để làm thuật toán bình phương;
– Phần tử lọc để lấy trò trung bình;
– Phần tử thực hiện phép khai căn.
Nói chung, phương trình biểu thò dạng đặc tuyến của phần tử tách sóng có
dạng:

I =
α
u +
β
u
2.
, (2-33)
Nếu điện áp đo là điện áp biến đổi có chu kỳ nhưng có dạng phức tạp:
, thì dòng tách sóng được xác đònh qua đặc tuyến Vôn-ampe là:
∑
∞
=
=
1
sin
k
mkk
tkUu
ω
i =
α
(U
m1
sin
ω
t + U
m2
sin 2
ω
t + ) + β (U

m1
sin
ω
t + U
m2
sin 2
ω
t + )
2
;
Thực hiện các biến đổi lượng giác cần thiết, ta có thể tách riêng thành phần
một chiều. Để đo dòng này ta mắc một µA song song với một tụ điện. Dòng này
bằng:

∑
∞
=
=
1
2
2
1
k
ako
UI
β
(2-34)
Nếu thay
.2
2

UU & U U
2
kkmk
==
∑
Ta có:

(2-35)
2
UI
o
β
=
Như vậy, dòng tách sóng tỉ lệ với bình phương trò hiệu dụng của điện áp đo,
nó không phụ thuộc vào dạng điện áp, do vậy vôn mét loại này có thể đo được các
dạng điện áp khác nhau.
Có nhiều phương pháp tách sóng hiệu dụng khác nhau:
– Dùng hiệu ứng Hall;
– Dùng mạch tạo hàm bậc 2 trên các mắt diode.
a.Mạch tạo hàm bậc 2.
Trên hình 2-33 là sơ đồ nguyên lý của mạch tạo hàm bậc 2 nhờ các mắt điện
trở – diode. Mỗi mắt được cấu tạo từ một diode và một bộ phân áp bằng điện trở
(hình 2-33, b).

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 59 -
C
Do
Do
D1

D2
D3
Ro
R1
R2 R3
U1
U2 U3
R1c R2c
R3c
+
-
i
1
i
2
i
3
i
D1
R1
U1
R1c
+
-
i
1
x
u (t)
U1
i

1
x
u
a)
b) c)
x
u
o
i


Hình 2
-
33. Mach ta
ù
ch so
ù
ng hiệu dung du
ø
ng ca
ù
cma
é
tđiện

Để đơn giản, ta giả sử diode có điện trở thuận R
th
= 0, và điện trở nghòch là
R
ng

=∞. Như vậy sẽ không có dòng qua diode khi điện áp đặt lên nó nhỏ hơn điện áp
khoá của diode (hình 2-33, c).
Các mắt diode được mắc nối tiếp với nhau bằng các mạch phân áp. Các điện
trở được bố trí sao cho trò số điện áp khóa của diode sau lớn hơn trò số điện áp khóa
của diode đứng trước nó:
U
1
< U
2
< U
3
< ;
Hoạt động của mạch như sau:
Khi điện áp vào U
x
(t) < U
1
, các diode D
1
, D
2
và D
3
bò khóa. Dòng điện qua
mạch R
0
và đồng hồ đo là i
0
.
Khi U

1
< U
x
(t) < U
2
, diode D
1
mở, các diode D
2
và D
3
khóa. Dòng qua đồng
hồ đo là i
0
+ i
1
.

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 60 -
i
0
i
1
U
1
U
x
i
2

i
3
U
2
U
3
U
x
U
x
U
x
U
x
i
∑
i
0
i
0
+ i
1
i
0
+ i
1
+ i
2
i
0

+ i
1
+ i
2
+ i
3
H
ình 2-34.
Đặc tính vôn-ampe của mạch tạo
hàm bậc hai trên các mắt diode
Khi U
2
< U
x
(t) < U
3
, các diode D
1
,
D
2
mở, D
3
khóa. Dòng qua mạch đồng hồ
là bây giờ là i
0
+ i
1
+ i
2

.
Khi U
3
< U
x
(t) , các diode D
1
, D
2
và
D
3
đều dẫn. Dòng tổng cộng qua mạch
đồng hồ sẽ là i
0
+ i
1
+ i
2
+ i
3
.
Kết quả đặc tính vôn – ampe của
mạch biến đổi sẽ có dạng gần đúng như
một nửa parabol (hình 2-34).
Nếu số mắt điện trở - diode càng
nhiều thì đặc tuyến của mạch càng gần
đúng bậc hai.
Các vôn mét điện tử có mạch tách
sóng dùng đặc tuyến bậc hai trên cơ sở

các mắt diode – điện trở như đã trình bày
là B3-6, B3-18.


b.Mạch lấy trò trung bình.
Sử dụng mạch lọc RC đơn giản (hình 2-35, a) hoặc dùng kết hợp mạch khuếch
đại thuật toán (hình 2-35, b).

C
+
-
C
R
i
o
V
o
V
V
i
R2
R1
V
a)
b)
Hình 2-35








Đối với sơ đồ hình 2-35, a ta có:

RCj
Cj
R
Cj
V
V
i
o
ω
ω
ω
+
=
+
=
1
1

1
1

(2-36)
Đối với sơ đồ hình 2-35, b:

21

2
1
2
1
1
-
1
//
-
CRJR
R
R
Cj
R
V
V
i
o
ω
ω
+
⋅==
(2-37)

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 61 -
c) Mạch khai căn.
Mắc một mạch nhân trong vòng hồi tiếp của một mạch khuếch đại ta sẽ được
điện áp lối ra là căn bậc 2 của điện áp lối vào (hình 2-36).
+

-
+
-
o
V
i
V
R
R
o
R
i
R
V
V
a) b)
Hình 2-36. Mạch khai căn

Đối với hình 2-36, a ta có:
A
V
VAVV
i
ooi
−=⇒−=
(2-38)
Đối với sơ đồ hình 2-36, b thì:

A
V

VAVV
i
ooi
=⇒=
(2-39)
§ 4. ĐO ĐIỆN ÁP BẰNG CÁC VÔN MÉT SỐ
4.1. Khái niệm chung.
Trong các vôn mét hiện số, kết quả đo được chỉ thò bằng số trên mặt của đồng
hồ đo bằng một trong các bộ chỉ thò đã nói đến trong chương 1. Sơ đồ cấu trúc của
một vôn mét số như hình 2-37.

Thiết bò
va
ø
o
Đ
iều
khie
å
n
ADC
Đ
ếm Giải
õ
Chỉ thò
u
x
Hình 2
-
37. Sơ đo

à
ca
á
u tru
ù
ccu
û
a một vo
â
n
Thiết bò vào chứa bộ suy giảm, bộ chuyển mạch chọn thang đo, chọn dạng
điện áp đo: DC hay AC. Nếu là thang đo điện áp xoay chiều thì mạch chứa cả phần
tách sóng.
ADC (Analog to Digital Converter) – Khối chức năng thực hiện biến đổi điện
áp tương tự lối vào sang dạng số.

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 62 -
Điện áp lối ra ADC là dạng mã số được đưa vào bộ đếm, kết quả đếm sẽ
được đưa qua khối giải mã và đưa ra chỉ thò.
Hoạt động của các khối chức năng được điều khiển nhờ khối điều khiển
chung.
Phần chức năng quan trọng nhất của vôn kế số là khối biến đổi ADC. Có
nhiều phương pháp thực hiện chức năng trên, tuy nhiên trong các vôn kế thường sử
dụng các phương pháp sau:
– Phương pháp biến đổi điện áp sang tần số (V/F);
– Phương pháp biến đổi điện áp sang khoảng thời gian (V/T);
– Phương pháp xấp xỉ gần đúng liên tiếp.
4.2. Phương pháp biến đổi điện áp sang tần số.
4.2.1. Nguyên tắc.

Điện áp cần đo được biến đổi sang tần số theo quan hệ bậc nhất
f =
α
V
i
(2-40
Sau đó đo trò trung bình của tần số trong một khoảng thời gian xác đònh

∫
==
T
otb
Vfdt
T
f
0
1
α
(2-41)
4.2.2. Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ nguyên lý của một vôn kế số thực hiện theo nguyên tắc biến đổi V/F
chỉ ra trên hình 2-38.

ĐIỀU KHIỂN
V/F
Đếm
Chốt
G. mã
Ch. thò
Vi

Đếm
xóa







H
ình 2-38.
Điện áp cần đo V
i
được biến đổi sang tần số f
x
, sau đó f
x
được đo bằng cách
đếm số xung trong một khoảng thời gian xác đònh. Xung đi vào bộ đếm được điều
khiển bởi sự đóng mở của cửa chọn xung AND. Cửa AND chỉ cho xung nhòp qua
trong khoảng thời gian tồn tại của xung điều khiển. Giả sử độ rộng xung điều khiển
là τ; chu kỳ của xung clock là T
x
; Số xung đi vào bộ đếm trong khoảng thời gian mở
cửa là N. Như vậy ta có:
N T
x
= τ , hay T
x
= τ / N ⇒ f

x
= N/ τ.

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 63 -
Nếu chọn τ = 1s thì f
x
= N. Số đếm được đưa qua mạch chốt sau đó đưa qua
mạch giải mã và chỉ thò.
Hết thời gian mở cửa, bộ điều khiển phát xung xóa kết quả ở bộ đếm, và bộ
đếm lại chuẩn bò chu kỳ mới.
4.2.3. Bộ biến đổi điện áp sang tần số (V/F) .
Điện áp cần đo được biến đổi thành một dãy xung có chu kỳ lặp lại tỉ lệ với
điện áp đo. Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi điện áp sang tần số (V/F) như hình 2-39

C
R
R
SW
+
-
+
-
2
V
Vi
ĐO
V
V
1

3
U1
U2
Io

H
ình 2-39. Mạch biến đổi V/
F
Hoạt động của mạch như sau:
Giả sử thế lối vào V
i
>0, Thế lối ra mạch tích phân trên U
1
sẽ là:

RC
tV
dtV
RC
V
i
t
i


1

0
1
−=−=

∫
(2-41)
V
1
< 0, thế đi xuống, khi đi qua 0 mạch so sánh trên U
2
phát hiện lật trạng thái
từ 0 lên 1 kích mạch đơn ổn phát xung độ rộng t
0
. Xung này đóng cửa nguồn dòng I
o
.
Nguồn dòng được thiết kế với điều kiện I
0
> V
i
/ R. Lúc này thế lối ra mạch tích phân
sẽ là:

0
0
1
>−=
C
tV
C
tI
V
i
(2-42)

V
1
>0, Thế lối ra mạch tích phân sẽ đi lên trong khoảng thời gian t
0
. Hết thời
gian t
0
, nguồn dòng bò cắt (chuyển mạch SW bò hở mạch ), và thế lối ra mạch tích
phân lại đi xuống trong khoảng thời gian t
1
. Khi qua 0 mạch so sánh lại lật trạng thái
và kích mạch đơn ổn phát xung đóng cửa nguồn dòng, tiếp tục chu kỳ tiếp theo. Như
vậy ta có:


RC
tV
RC
tV
C
tI
ii 1000
=−



)(
Rt I T V ;
C
tI


R
C
ttV
xi
i
00
0001
=⇒=
+


Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 64 -

iix
i
x
VV
RtI
fhay
V
RtI
T
α
===
00
00
1
;

(2-43)
Giản đồ thời gian mô tả chế độ công tác của mạch như hình 2-40


V
1
t
1
t
0
Tx
t
1
t
0
t
1




V
2


V
3


H

ình 2-40

–
Nhận xét: Sơ đồ vừa khảo sát chỉ đo được điện áp một dấu (+) hoặc (–). Để đo được
điện áp hai dấu ta phải mắc thêm mạch lấy trò tuyệt đối để cho ra điện áp dương,
đồng thời đưa qua mạch so sánh để chỉ thò dấu (+) hoặc (–). Sơ đồ cấu trúc của máy
đo điện áp hai dấu như hình 2-41.
+
-
K.đại
-
+
SS
Lấy
V / F
Đếm
G. mã
Ch. thò
Vi


Hình 2-41.
Các linh kiện sử dụng cho sơ đồ có thể dùng:
– Mạch đếm: dùng IC 7490 – đếm thập phân không đồng bộ;
– Mạch chốt: dùng IC 7475 – 4 chốt loại D;
– Mạch giải mã: dùng IC 7446, 7447 – giải mã từ BCD – 7 đoạn;
IC 7441, 7442 – giải mã từ BCD – tích phân lái đèn NIXIE.
4.2.4. Phân tích khả năng chống nhiễu của sơ đồ.
Mạch biến đổi V/F có khả năng chống nhiễu tốt đối với nhiễu có chu kỳ.
Khả năng chống nhiễu của sơ đồ được xác đònh từ biểu thức đònh nghóa:


N
S
Q
Nhiễu
hiệuTín

=
(2-44)
Giả sử điện áp một chiều cần đo V
0
bò can nhiễu có chu kỳ:

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý