Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
Chương 3
MẠCH ðO LƯỜNG VÀ GIA CÔNG THÔNG TIN ðO
3.1. Khái niệm chung
3.1.1. ðịnh nghĩa
- Mạch ño lường là thiết bị kỹ thuật 1àm nhiệm vụ biến ñổi, gia công thông tin ,
phối hợp các tin tức với nhau trong một hệ vật lí thống nhất.
- Có thể coi mạch ño như là một khâu tính toán, thực hiện các phép tính ñại số trên
sơ ñồ mạch nhờ vào kĩ thuật ñiện tử theo yêu cầu kỹ thuật của thiết bị ño.
3.1.2. Phân loại mạch ño: Theo chức năng của các mạch ño mà ta có thể phân thành
nhiều loại mạch ño như sau:
- Mạch tỷ lệ: là mạch thực hiện một phép nhân (hoặc chia) với một hệ số k.
Nghĩa là nếu ñại lượng vào là x thì ñại lượng ra là kx.
ðại diện cho các loại này là: ñiện trở sun, bộ phân áp, máy biến áp, ,máy biến
dòng, v.v
- Mạch khuếch ñại: Cũng giống như mạch tỉ lệ mạch khuếch ñại làm nhiệm vụ
nhân
thêm một hệ số K gọi là hệ sô khuếch ñại. Tuy nhiên ở mạch khuếch ñại thì
thông
thường, công suất ra lớn hơn công suất vào (ñiều này ngược với mạch tỉ lệ),
nghĩa là ñại
lượng vào ñiều khiển ñại lượng ra.
- Mạch gia công và tính toán: Bao gồm các mạch thực hiện các phép tính ñại số
như cộng, trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân,v.v
- Mạch so sánh: là mạch so sánh giữa hai ñiện áp. Mạch này thường ñược sử dụng
trong các thiết bị ño dùng phương pháp so sánh.
- Mạch tạo hàm: Là mạch tạo ra những hàm số theo yêu cầu của phép ño nhằm
mục ñích tuyến tính hóa các ñặc tính của tín hiệu ño ở ñầu ra các bộ phận cảm biến.
- Mạch biến ñổi A/D, D/A: là loại mạch biến ñổi từ tín hiệu ño tương tự thành
số và ngược lại, sử dụng cho kỹ thuật ño số và chế tạo các mạch ghép nối với máy
tính.

- Mạch ño sử dụng kỹ thuật vi xử lý là mạch ño có cài ñặt vi xử lý ñể tạo ra các
cảm biến thông minh, khác ñộ bằng máy tính, nhớ và gia công sơ bộ số liệu ño v,v
3.2. Mạch tỷ lệ
3.2.1.Mạch tỉ lệ về dòng
Là loại mạch thông dụng nhất. ðối với mạch một chiều thường dùng mạch Sun, còn
ñối với mạch xoay chiều thường dùng biến dòng ñiện.
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 47
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
1.ðiện trở sun
- Sun là một ñiện trở mắc song song với cơ cấu chỉ thị (h.3-1). Dòng chạy trong
mạch chính là I ; trong mạch chỉ thị là I
CT
.
Cực dòng
R
CT
ICT
Cực áp
CCCT
Hình 3-2: Cấu tạo Sun
I
IS R
S
Hình 3-1: Cách mắc Sun
Ta có:
ICT
= KI; thông thường KI > 1 và ñược gọi hệ số phân dòng ñiện.
ðiện trở Sun R
s

ñược tính theo công thức sau:
R
S
=
RCT
(3-1)
KI−1
- Sun có cấu tạo như là ñiện trở 4 cực: 2 cực dòng và 2 cực áp. Hai cực dòng
ñược ñưa dòng ñiện I
S
vào còn hai cực áp sẽ lấy áp ra mắc vào cơ cấu chỉ thị hoặc ñưa
tới mạch phía sau (h.3-2). Trên Sun thường ghi dòng ñiện I
S
có thể ñi qua nó và ñiện áp
ở ñầu ra là: U
s
= I
s
R
s
= (I - I
CT
) R
s
và cấp chính xác.
- ðể ñạt ñộ chính xác cao một Sun thường chỉ làm việc với một chỉ thị nhất ñịnh
và phải có dây nối ñã xác ñịnh ñiện trở. ðể ñiều chỉnh ñiện trở Sun ta có thể xẻ rãnh
khác nhau.
- Muốn dùng Sun có hệ số chia dòng khác nhau có thể dùng Sun với nhiều cấp
khác nhau như hình 3-3.

I
CT
R
CT
R
1
R
2
R
3
R
4
I
1
> I
2
> I
3
> I
4
Hình 3-3: Cấu tạo Sun nhiều cấp
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 48
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
- ðể tính các ñiện trở R
1
, R
2
, R
3

, R
4
ta có thể dựa vào biểu thức (3-1) như sau: Lập
hệ phương trình ứng với các dòng khác nhau:
R
S
=
4
R
CT
n
4
−1
I
4
=
R
1
+R
2
+
R
3
+R4;
n
4
=
ICT
R
S

=
3
R
CT
+R
4
n3
−1
R
CT
+R
4
I3
= R
1
+R
2
+R
3
;
n
3
=
ICT
+
R
3
I2
R
S

=
2
RCT
R
S
=
1
n
2
−1
+R
4
+R
3
n
1
−1
=
R
1
+R
2
;n
2
=
ICT
+R
2
I1
= R1;n1 =

ICT
Ta có 4 phương trình với 4 ẩn số. Từ ñó giải ra ta tìm ñược các ñiện trở cần tìm R
1
, R
2
,
R
3
, R
4
.
Trong công nghiệp Sun ñược làm bằng vật liệu có ñiện trở rất ít phụ thuộc nhiệt ñộ
như Manganin. Thường người ta chế tạo Sun với dòng ñiện từ vài mA ñiện áp Sun cỡ 60,
75, 100, 150 và 300 mV.
- Ứng dụng: Sun ñược dùng chủ yếu trong mạch một chiều. Trong mạch xoay
chiều có thể dùng khi tải là thuần trở. Còn khi tải là ñiện kháng thì mắc phải sai số về
góc pha.
ðiện trở Sun chủ yếu sử dụng ñể mở rộng thang ño trong các ampemet một
chiều.
2. Biến dòng ñiện
Biến dòng ñiện (B
I
) là một máy biến áp ñặc biệt có
cuộn sơ cấp rất ít vòng cho dòng phụ tải trực tiếp chạy
qua; cuộn thứ cấp nhiều vòng hơn, dây nhỏ và ñược nối
kín mạch với một ampemet (hoặc cuộn dòng của công
tơ, wattmet ). Vì ñiện trở của ampemet rất nhỏ cho
nên có thể coi máy biến dòng luôn làm việc ở chế ñộ
ngắn mạch.
Ta có:

I
1
W
1
≈ I
2
W
2
hay
I
1
/I
2
= W
2
/W
1
= K
I
,
I
1
BI
W
1
W
2
I
2
A

Hình 3-4. Sơ ñồ sử dụng B
I
ñể ño dòng ñiện
K
I
là hệ số máy biến dòng hay còn gọi là hệ số mở rộng thang ño.
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 49
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
Thông thường, ñể dễ dàng cho việc chế tạo và sử dụng, W
1
chỉ có một vòng, ứng với
dòng ñiện I
1
ở chế ñộ ñịnh mức theo một dãy số ưu tiên nào ñó; W
2
nhiều vòng hơn ứng
với dòng I
2
ở chế ñộ ñịnh mức là: I
2ñm
= 1A hoặc I
2ñm
= 5A.
Ví dụ: máy biến dòng: 100/5 ; 200/5; 300/ 5…
Trong trường hợp ampemet nối hợp bộ với biến dòng ñiện thì số chỉ của ampemet
ñược khắc vạch theo giá trị dòng ñiện I
1
phía sơ cấp.
3.2.2. Mạch tỉ lệ về áp

1. Mạch phân áp
Là mạch phân ñiện áp, thường U
1
lớn hơn U
2
tức là công suất vào lớn hơn công suất ra.
Ta phân biệt một số mạch như sau.
a, Mạch phân áp ñiện trở
Các ñiện trở R
1
, R
2
ñược nối như ở
hình 3-5. Hệ số phân áp ñược tính là:
R
1
m =
U
1
(3-2)
U
2 U
1
Ta phân biệt hai trường hợp:
- Khi không có tải hay R
T
= ∞ ta có:
U I(R + R ) R
R
2

U
2
R
T
m
o
=
U
1
=
2
1 2 1
=1+
(3-3
IR R
2 2
- Khi có tải R
T
ta có:

R
T
R
2

IR1+I

U1

R

2
+R
T

R1(R2
Hình 3-5: Mạch phân áp ñiện trở
+RT)+R2RT
m
T
=
U2
=

I

= =
R
T
R
2

R2RT

R
2
+R
T

= 1 +
R1

R
2
R1 R1
+ = m0 + (3-4)
R
T
R
T
Lúc tải là những cơ cấu ño có ñiện trở không ñổi, người ta dùng R
2
là ñiện trở của
ngay bản thân cơ cấu, trong trường hợp này phân áp chỉ có ñiện trở R
1
và ñược gọi là ñiện
trở phụ (h.3-6).
ðiện trở phụ ñược tính như sau:
R
P
= R
CT
(m - 1) (3-5)
Ở ñây m =

U
x
UCT
tỉ số giữa ñiện áp cần ño và ñiện áp trên cơ cấu chỉ thị.
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 50
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật

Nếu một Volmet có nhiều thang ño thì cách
U
3
tính các ñiện trở phụ như sau:
R = R
1
= R
CT
(m
1
- 1)
P
1
R
3
U1 U
2
m
1
=
UCT
R
P2
= R
1
+ R
2
= R
CT
(m

2
- 1) R
2
U
1
U
2
m
2
=
UCT
R
1
R
P3
= R
1
+ R
2
+ R
3
= R
CT
(m
3
- 1) U
cT
U3
m
3

=
UCT
R
cT
Từ ñây ta có thể tìm ñược các ñiện trở R
1
, R
2
,
R
3
tương ứng.
Hình 3-6: Mở rộng thang ño
của Volmet
U
1
0,1 0,09 0,05 0,01
1,0
0,9 0,8 0,7 0,2 0,1
U
2
Hình 3-7: Bộ phân áp có cấp chính xác cao
Người ta còn chế tạo phân áp có hệ số phân áp thay ñổi tuỳ ý.
Thông thường ñó là một biến trở trượt ñược gắn thêm một thang chia ñộ, trên ấy
có khắc hệ số phân áp tương ứng với vị trí của nó. Những biến trở trượt phân ñiện áp với
ñộ chính xác không cao (thường từ 1 - 5%).
Các phân áp có cấp chính xác cao (0,05 - 0,1) ñược chế tạo theo kiểu nhảy cấp
hoặc bố trí thành từng cấp thập phân (Hình 3-7). Vật liệu thường làm bằng dây ñiện trở
manganin có hệ số nhiệt ñiện trở thấp. ðiện áp vào U
1

cố ñịnh, còn ñiện áp ra biến thiên từ
0,0001 U
1
ñến 0,9999U
1
.
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 51
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
b, Mạch phân áp ñiện dung
Phân áp ñiện dung có thể dùng trong mạch xoay chiều, các tụ ñiện C
1
, C
2
ñược
ghép nối tiếp với nhau và ñược ñặc trưng bằng ñiện dung C
1
, C
2
cùng với các ñiện trở rò
R
1
, R
2
theo mô hình thay thế song song(Hình 3-8).
Hệ số phân áp là:

1

C

1
C
2
1+
 
R
1
U
1

m =
=1+
U 2

jωC2 R 2

(3-6)
1

U
1
C
1+
1
 

jωC
1
R
1


R
2
C
2
U
2
Như vậy m phụ thuộc tần số ω.
Nếu tần số ω lớn thì:
Hình 3-8: Phân áp ñiện dung
1
ωC R
và
1
<< 1 và từ (3-6) ta có thể viết:
ωC R
2 2
m = 1 +
1
C
2
C
1
(3-7)
1
Lúc này m không phụ thuộc vào tần số nữa. Vì vậy mà phân áp ñiện dung
thường ñược sử dụng trong mạch có tần số cao.
Mạch phân áp ñiện dung thường ñược sử dụng ñể giảm áp trong các mạch xoay
chiều ở ñầu vào và các vônmét ñiện tử xoay chiều hay các dao ñộng kí ñiện tử.
c, Mạch phân áp ñiện cảm

ðặc ñiểm của mạch phân áp ñiện cảm là ñầu vào và ñầu ra ñược nối với nhau
bằng ñiện và bằng từ. Hình 3-9 vẽ mạch phân áp ñiện cảm, có thể coi là một biến áp
tự ngẫu. Muốn phân áp có ñộ chính xác cao, biến áp phải gần ñiều kiện lý tưởng. Lúc
ấy:
U W
K
u
=
1
U
1
= (3-8)
W
2 2
Trong ñó:
W
1
là số vòng ñặt ñiện áp U
1
W
2
là số vòng ñặt ñiện áp U
2
U
1
W
1
W
2
U

2
Hình 3-9: Phân áp ñiện cảm
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 52
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
Ưu ñiểm của phân áp này là hệ số phân áp K ít thay ñổi lúc tải ñầu ra thay ñổi.
Nhưng nhược ñiểm là tần số thay ñổi sẽ gây ra sai số tần số.
2. Mạch biến ñiện áp ño lường(Bu)
Mạch biến ñiện áp cũng là hình thức của mạch phân áp ñiện cảm, chỉ khác là U
1
có thể nhỏ hơn hay lớn hơn U
2
(tức là K
u
có thể lớn hơn hay nhỏ hơn 1) khi U
2
> U
1
ta
có biến áp tăng áp, U
2
< U
1
ta có biến áp hạ áp. Các ñiện áp U
1
, U
2
có thể liên hệ với
nhau cả về ñiện và từ (biến áp tự ngẫu) hoặc có thể chỉ nối nhau bằng từ và cách ñiện
với nhau.

Hệ số biến áp:
U W
K
u
=
1
U
1
= (3-9)
W
2 2
Trong hướng dẫn sử dụng của biến ñiện áp thường chỉ rõ công suất ñịnh mức,
ñiện áp vào U
1
và ñiện áp ra U
2
và hệ số K
u
, các ñầu nối của cuộn sơ cấp ñược lí hiệu
là A, X cuộn thứ cấp là a, x.
Ngược với biến dòng ño lường ở biến áp ño lường sử dụng ở chế ñộ hở mạch
cuộn thứ cấp. Vì thế cuộn thứ cấp thường ñược nối với Volmét có ñiện trở vào lớn
(Hình 3-10) ñể ño ñiện áp U
2
sau ñó nhân với K
u
ta có U
1
.
ðiện áp ñịnh mức của cuộn thứ cấp

thường là 100V. Còn ñiện áp ñịnh mức của
cuộn sơ cấp chính là ñiện áp cần ñi hay kiểm
tra.
Cấp chính xác của biến áp ño lường là
0,05; 0,1; 0,2; 0,5.
3.3. Mạch khuếch ñại ño lường
ðứng về phương diện gia công tin tức,
mạch khuếch ñại (Kð) cũng xem như một
U~
A
a
W
1
W
2
V
X
x
mạch tỉ lệ, nghĩa là: X
r
= KX
v
Tuy nhiên ở mạch Kð có ñiều ñặc biệt
Hình 3-10: Mắc volmet vào
biến áp ño lường
ngược với mạch tỷ lệ là ở mạch Kð thường có công suất ra lớn hơn công suất vào. Có thể
coi ñại lượng vào ñiều khiển ñại lượng ra. ðây là ưu việt của mạch ñiện tử. Nhờ có
khuếch
ñại, người ta ñã tăng ñộ nhạy của các thiết bị ño lên rất nhiều cho phép ño
ñược những

ñại lượng ño rất nhỏ mà trước kia không ño ñược.
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 53
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
3.4.1. Mạch Kð lặp lại
Trong các thiết bị ño tín hiệu ño ñược lấy ra từ các bộ cảm biến có công suất ra
rất
nhỏ. Muốn khuếch ñại ñược những tín hiệu như vậy ñòi hỏi ñiện trở vào của bộ
khuếch
ñại phải rất lớn. ðể tạo ñược ñiều ñó thường ta sử dụng các mạch lặp lại ở ñầu vào (mạch
colectơ chung) (h.3-11).
+E
C
U
vào
U
vào
R U
ra
+E
C
a)
Hình 3-11: Mạch lặp lại
a) dùng tranzitor
b) dùng khuếch ñại thuật toán
U
ra
-E
C
b)

Mạch lặp lại sử dụng tranzito bình thường (h.3-11a). ðặc ñiểm của mạch này là
ñiện trở vào lớn ñiện trở ra nhỏ. Nhờ có phản hồi âm sâu hệ số Kð theo ñiện áp K
u
= 1
(thường bé là lớn hơn 1 một ít).
Ngược lại hệ số Kð về dòng khá lớn
K
I
=
∆
I
∆
I
C
= 1 + β (3-10)
b
β - là hệ số khuếch dòng của tranzito.
- ðể tăng ñiện trở vào người ta sử dụng Kð thuật toán với phản hồi âm sâu
(Hình 3-11b).
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 54
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
3.3.2. Mạch Kð ño lường
Trong các mạch ño lường thường sử dụng bộ Kð ño lường. ðó là kết hợp giữa
các bộ lặp lại và các bộ Kð ñiện áp. Hình 3-12 chỉ rõ một bộ Kð ñể ño ñiện áp ra của
mạch cầu.
IC
1
U
v oà

IC
2
R
1
R
4
R
2
R
4
R
3
R
5
R
5
IC 3
U
ra
Hình 3-12: Bộ Kð ño lường
Ở tầng ñầu là hai bộ lặp lại dùng mạch Kð thuật toán IC
1
, IC
2
. Hệ số Kð của
tầng
ñầu là:
R
K
1

= 1 +
+R
1 3
R
2
Có thể ñiều chỉnh bằng cách thay ñổi ñiện trở R
2
. ðiện áp vào ñược ñặt vào hai
ñầu của hai mạch lặp lại, như thế tạo khả năng ño hiệu ñiện thế giữa hai ñầu vào này
so với ñất.
Ở tầng thứ hai sử dụng IC
3
có hệ số Kð là:
K
2
=
R
R
5
4
Do ñó hệ số Kð của cả mạch là:
K = K
1
.K
2
=
R
R
5
.(1 +

R
+R
1 3
) (3-11)
R
4 2
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 55
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
3.4. Mạch gia công tính toán
3.4.1. Mạch cộng
Là loại mạch thực hiện phép cộng. Thông
thường là cộng ñiện áp.
Hình 3-13 là sơ ñồ mạch cộng ñiện
áp dùng Kð thuật toán (KðTT) mắc theo
mạch ñảo dấu. Tín hiệu ra U
ra
tỉ lệ với tổng
ñại số của các tín hiệu vào.
R
2
U
1
R
U
2
R
U
ra
U

n
R
U
ra
=−(U1+U2+ +Un)
R
2
(3-12)
R
n
Nếu R
2
= R thì U
=−
R
1
U (3-13)
ra
∑ i
i=1 Hình 3-13: Mạch cộng ñiện áp với
Kð thuật toán ñảo dấu
Trường hợp mắc theo sơ ñồ không ñảo dấu, ta có mạch ở hình 3-14.
U
ra
=
1
1+
R
2


(U1+U2+ +Un)
(3-14)
n

R
Nếu n = 1 +
n
thì U
=−

R

R
U
U
1
2
U
2
1
U
n
(3-15)
R
R
R U
ra
R
2
ra

3.4.2. Mạch trừ
∑ i
i=1
Hình 3-14: Mạch cộng ñiện áp R
1
với KðTT không ñảo dấu
R
4
Mạch Kð hiệu hai ñiện áp ở ñầu vào
thường sử dụng KðTT, trong mạch tổ hợp giữa
mạch ñảo dấu và không ñảo dấu (h.3-15).
R
+R
R R
R
1
U
1
R
2
U
ra
U
2
U =
1 4 3 4
U − U (3-16)
ra
R
2 2 1

+R
R R
3 1 1
Khi R
1
= R
2
và R
3
= R
4
R
3
Hình 3-15: Mạch trừ dùng KðTT
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 56
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
thì U =
R 4
(U −U )
(3-17)
ra
R
2 1
1
Trong trường hợp này thì sai số của mạch là ít nhất. Với mạch này thì ñiện trở
vào của hai ñầu vào không nhất thiết phải giống nhau. ðiện trở vào ở mạch ñảo dấu
giống như ở mạch Kð ñảo dấu, còn ñiện trở vào ở mạch không ñảo dấu bằng tổng các ñiện
trở R
2

và R
3
.
3.4.3. Mạch nhân
Có rất nhiều trường hợp phải sử dụng mạch nhân như khi ño công suất P = UI
cos ϕ hoặc phải nhân hai ñiện áp, v.v vì thế mạch nhân trong ño lường là rất quan
trọng.
Trong ño lường phần tử nhân ñược dùng rộng rãi là phần tử ñiện ñộng, sắt ñiện
ñộng, và cảm ứng ñã ñược xét ở chương 2. Các mạch nhân này ñược dùng ñể chế tạo các
Wátmét ño công suất tác dụng và phàn kháng; chế tạo công tơ ñiện…. Ngoài ra mạch
nhân còn có thể sử dụng chuyển ñổi Hôn (Hall) và các bộ nhân ñiện tử sử dụng các bộ
KðTT (do giới hạn của chương trình nên ta không xét)
3.4.4. Mạch chia
Mạch chia ñược sử dụng rộng rãi trong các phép ño gián tiếp. Kết quả phép
chia có khi là một ñại lượng nhưng cũng có khi là con số không thứ nguyên thường ñặc
trưng cho phẩm chất. Thông dụng nhất là các phương pháp: lôgômét, mạch cầu, mạch
chia ñiện tử,
* Mạch chia bằng cơ cấu chỉ thị logomet có góc quay tỷ lệ với tỷ số hai dòng
ñiện(chương 2)
* Mạch chia dựa trên mạch cầu cân
bằng là mạch lấy tỉ số giữa hai ñiện trở của
hai nhánh của cầu (h.3-16).
Khi cầu cân bằng ta có phương trình:
R
x
R
4
= R
y
R

3
(3-18)
R
x
R
y
E
C
R
3
R
4
R
3
thường là một biến trở có ñiện trở
toàn bộ là tâm của góc quay α = f
1
(R
3
).
Hình 3-16: Mạch cầu cân bằng sử
dụng làm mạch chia
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 57
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
R
3
=R
4
R

R
x
(3-19)
y

R

α =
f1(R3)= f2 


x

(3-20)
R

y

3.4.5. Mạch tích phân
Một mạch tích phân ñược biểu diễn như hình 3-17
Quan hệ giữa ñiện áp vào và ra của bộ tích phân như sau:
U
=−
T
1
U dt
(3-21)
ra
∫
v

R
1
C
o
Trong mạch này tốc ñộ thay ñổi
của ñiện áp ra tỉ lệ nghịch với hằng số
thời gian τ = R
1
C.
* Trường hợp khi tín hiệu vào thay
ñổi theo kiểu bậc thang thì tốc ñộ thay ñổi
của tín hiệu ra sẽ là:
∆U U
C
R
1
U
v
U
ra
R
2
ra
∆t
= -
RC1
v
Hình 3-17: Mạch tích phân
Như thế ở ñầu ra sẽ có tín hiệu tuyến tính tăng dần theo thời gian.
3.4.6 Mạch vi phân

Mạch vi phân ñơn giản có thể thực hiện bằng ñiện cảm hay ñiện dung (h.3-18 a, b).
R
P
R
f
R
C
C
U
v
U
vào
L
U
ra
U
vào
R
U
ra
U
ra
a) b) c)
Hình 3-18- Các mạch vi phân
a)Vi phân bằng phần tử RL; b) Vi phân bằng CR;
c) Vi phân sử dụng KðTT.
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 58
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
ðiện áp ra ở mạch 3-18 a:

U
L
= L
diL
dt
(3-22)
Dòng ñiện qua ñiện dung C ở mạch 3-18b là:
ic = C
duC
dt
(3-23)
Tuy nhiên trong thực tế ñể nâng cao ñộ chính xác ta thường kết hợp mạch CR với
KðTT (h.3-18c). ðây là mạch Kð có phản hồi bằng ñiện trở. ðiện áp ra của mạch vi phân
như vậy là:
dU
U =−RC v
ra 1
(3-24)
dt
3.5. Mạch so sánh
Trong kỹ thuật ño lường người ta sử dụng rất rộng rãi mạch so sánh
(Comparator). Dùng mạch so sánh là ñể phát hiện thời ñiểm bằng nhau của hai ñại
lượng vật lý nào ñó (ñiện áp chẳng hạn). Trong phương pháp ño kiểu so sánh thường sử
dụng mạch so sánh ñể phát hiện ñộ lệch khỏi ñiểm không của ñiện kế.
Mạch so sánh ngày nay thường ñược sử dụng với bộ KðTT (khuếch ñại thuật
toán) mắc theo kiểu một ñầu vào hay hai ñầu vào, hoặc có thêm phản hồi dương nhỏ ñể
tạo ra ñặc tính trễ của bộ so sánh. Mạch so sánh cũng có thể tạo ra bằng các ñiện trở mẫu
chẳng hạn mạch cầu, mạch ñiện thế kế với thiết bị chỉ thị lệch không bằng ñiện kế.Do
giới hạn của chương trình, ta chỉ xét một vài mạch so sánh cơ bản
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 59

Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
3.5.1. Bộ so sánh các tín hiệu khác dấu bằng KðTT (khuếch ñại thuật toán) mắc
theo mạch một ñầu vào
Bộ so sánh tín hiệu một ñầu vào ñược
biểu diễn ở hình 3-19a ñể so sánh hai ñiện
áp vào khác dấu nhau. Ở thời ñiểm cân bằng
ñiện áp ra U
ra
của mạch so sánh sẽ chuyển
sang một trạng thái khác.Quá trình chuyển
trạng thái ñó ñược biểu diễn ở hình 3-19b.
Trước thời ñiểm τ ñiện áp U
c
nhỏ hơn ñiện
áp ñặt E
sp
(Set point) vì thế mà E
sp
sẽ quyết
ñịnh trạng thái ở ñầu ra. Trong trường hợp
này E
sp
> 0 vì thế U
ra
≈ E

K .
E .R
R

1
R
2
U
c
(t) E
SP
R
1
R
2
a)
U
0
E
K
U
v
E
K
E
SP
τ
U
c
= -E
SP
R
R
U

c
(t)
U
ra
t
1
2
Khi ñiện áp U
c
ñạt ñến giá trị −
sp
R
1
2
E
K
thì ñiện áp ra sẽ ñược quyết ñịnh bởi U
c
và
trở nên bằng E

K
.
Tại thời ñiểm cân bằng U
c
= E
sp
(R
1
/R

2
) thì
Kð rơi vào chế ñộ không ổn ñịnh tuyến tính.
Việc chuyển trạng thái sẽ xẩy ra với một
thời ñiểm trễ nào ñấy ∆τ là thời gian phóng
của một tụ ñiện kí sinh nào ñấy của KðTT
0
E
K
τ τ +∆τ
t
b)
Hình 3-19. Bộ so sánh một ñầu vào với các tín
(h.3-19b).
hiệu khác dấu
5.5.2. Mạch cầu ño
Mạch cầu ñược xem như là một mạch so sánh ñiện trở. Tuy nhiên thực chất là
ta biến thành sự so sánh hai mức ñiện thế. Cấu tạo của mạch cầu gồm có: 4 ñiện trở R
1
,
c
R
2
, R
3
, R
4
mắc theo mạch như hình 3-20.
Ở thời ñiểm cầu cân bằng
thì ñiện thế ở 2 ñiểm c, d bằng

nhau tức là U
c
= U
d
.Lúc ñó ta có
hệ thức:
R
1
R
4
= R
2
R
3
(3-25)
R
1
R
2
a b
R
3
R
4
d
U
c)
Hình 3-20: Mạch cầu ño
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 60
Version1 - Tháng 8 năm 2009

Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
ðể ñạt ñược trạng thái cân bằng người ta thường ñiều chỉnh một trong 4 nhánh ñó
(ví dụ R
2
chẳng hạn). Quá trình tìm cân bằng là quá trình ñiều chỉnh ñể so sánh hai
ñiện
thế U
c
và U
d
. Khi bằng nhau thì ñiện kế chỉ 0 ta có hệ thức(3-25) không phụ
thuộc vào
ñiện áp nguồn. Nếu chế tạo các ñiện trở chính xác (bằng vật liệu manganin) thì có thể sử
dụng mạch cầu ñể ño ñiện trở với ñộ chính xác cao.
Thật vật giả sử thay R
1
bằng ñiện trở cần ño R
x
. Ở trạng thái cân bằng ta có:
R =
R
3
.R (3-26)
x
R
2
4
Nếu chọn R
3
= R

4
thì R
x
= R
2
. ðây là phép ño ñiện trở với ñộ chính xác
cao. Nguyên lý của phép ño thực hiện theo phương pháp so sánh cân bằng.
5.5.3. Mạch ñiện thế kế
Là mạch ño dựa trên phương pháp so sánh cân bằng giữa hai ñiện áp: ñiện áp cần
ño U
x
và ñiện áp mẫu E
N
. Hình 3-21a là sơ ñồ khối của mạch ño ñiện thế kế. ðiện áp U
x
ñược so sánh với ñiện áp E
N
. Ở thời ñiểm bằng nhau. ðọc E
N
suy ra U
x
. Hình 3-
21b là sơ ñồ nguyên lý cụ thể.
ðầu tiên bật công tác K sang vị trí 1 ñiều chỉnh R
1
sao cho kìm ñiện kế chỉ 0. Lúc
ñó ta có:
E
N
= I

N
R
N
hay I
N
= E
N
/R
N
là ñại lượng chính xác vì E
N
và R
N
là pin mẫu và
ñiện trở mẫu. Bây giờ bật công tắc K sang vị trí 2 ñiều chỉnh R
x
sao cho ñiện kế chỉ 0
ta có U
x
= I
N
R
x
=
E

R
N
R
x .

N
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 61
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
U
x
Nếu ta chế tạo sao cho
E
R
N
N
=10
n
thì ta có U
x
= 10
n
R
x
a) SS
ðây cũng là một phép ño
ñiện áp chính xác, bởi vì kết quả
ño phụ thuộc vào ñộ chính xác
của pin mẫu E
N
và của ñiện trở
mẫu R
N
và R
x

. ðộ chính xác của
phép ño còn phụ thuộc vào
ngưỡng ñộ nhạy của ñiện kế chỉ
0 nữa. Thường ta phải chọn ñiện
kế từ ñiện hoặc ñiện tử ñủ nhạy
(trong khoảng từ
10
-6
-10
-9
A/vạch).
E
N
1 2
K
R
N
b)
I
N
R
1
U
x
R
x
B
Hình 3-21: Mạch ñiện thế kế
3.6. Mạch tạo hàm
Mạch tạo hàm rất thông dụng trong kỹ thuật ño lường ñể tạo ra một quan hệ

hàm giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nào ñó. Ta sẽ xét một số mạch tạo hàm cơ bản.
3.6.1. Mạch tạo hàm bằng biến trở
Biến trở của mạch tạo hàm có thiết diện
ñược chế tạo theo hàm số mong muốn(h.3-22).
Trong các biến trở tạo hàm này di chuyển của
con chạy tỉ lệ với ñại lượng vào l = k
1
X. Lõi của
biến trở có hình theo hàm số cần tạo thành. Giả
sử ñiện trở của toàn bộ biến trở là R
bt
, ñiện áp
toàn bộ ñặt lên nó là U
bt
. Ta có ñiện áp ra:
U

U =
Hình 3-22. Tạo hàm bằng biến trở
bt
R
ra
R
x
bt
Nếu R
x
= f(l) thì U
ra
=f(k

1
X) = k
1
f(1)
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 62
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
3.6.2. Mạch tạo hàm bằng diốt bán dẫn
Diốt lí tưởng ñược xem như chỉ dẫn ñiện một chiều, có thể coi ñiện trở ngược là vô
cùng lớn, ñiện trở thuận bằng 0.
A
U
x
D
1
R
1
R
U
01
D
2
R
2
U
02
D
3
R
3

U
03
D
4
R
4
U
04
B +U
0
R
N
U
ra
a)
U
ra
U
01
U
02
U
03
U
04
U
x
U
x1
U

x2
U
x3
U
x4
b)
Hình 3-23: Mạch tạo hàm bằng ñiôt bán dẫn
Sơ ñồ mạch tạo hàm ñơn giản nhất cho trên hình 3-23a. Nhờ bộ phân áp AB
trên
dãy ñặt ñiện áp nền U
o
. Ở các katốt của các diốt có ñiện áp U
o1
, U
o2
,
Khi thay ñổi giá trị U
x
ta có thể phân tích như sau: Lúc 0 < U
x
< U
x1
tất cả các diốt
ñều khoá, không có dòng ñiện ñi qua mạch phân áp, ñiện áp U
x
ñược ñặt trên ñiện trở R và
R
N
nối tiếp nhau.
R

N
U =U
N
x
R+R
N
Lúc U
x1
< U
x
< U
x2
, diốt D
1
mở còn các diốt khác vẫn ñóng ta có:

R R

U =
1 N
I R +
x


R
1
+
R
N



RUx
U =U
x
−IR = U
x
−
R R
R+R
E
với R
E
=
R
1
1 N
+ R
N
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 63
Version1 - Tháng 8 năm 2009
Giáo trình: kỹ thuật ño lường 1 - Dành cho sinh viên nhóm ngành kỹ thuật
Cũng như vậy, lúc U
x2
< U
x
< U
x3
, các diốt D
1
, D

2
ñều mở, dòng trong mạch
chính tăng lên, ñiện áp rơi trên tải như hình 3-23b gồm những ñoạn thẳng có góc α
khác nhau nối lại với nhau. Kết quả là ta nhận ñược ñường cong theo hàm số mong
muốn. ðể hiệu chỉnh ñộ cong ta có thể thay ñổi các ñiện trở R
1
R
2
R
3
R
4
cho phù hợp.
3.7. Các bộ chuyển ñổi tương tự số và số tương tự
3.7.1. Mở ñầu
Do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số, ñặc biệt là sự ứng dụng phổ biến của
máy tính ñiện tử số, nên người ta thường dùng mạch số ñể xử lý tín hiệu tương tự. Muốn
dùng hệ thống số ñể xử lý tín hiệu tương tự thì phải biến ñổi tín hiệu tương tự thành tín
hiệu số tương ứng rồi ñưa vào ñể hệ thống số xử lý. Mặt khác thường có yêu cầu cần biến
ñổi tín hiệu số (kết quả xử lý) thành tín hiệu tương tự tương ứng ñể ñưa ra sử dụng. Ta gọi
sự chuyển ñổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số là chuyển ñổi AD và mạch ñiện thực
hiện công việc ñó là ADC (Analog to Digital Converter). Gọi sự chuyển ñổi từ tín hiệu số
sang tín hiệu tương tự là chuyển ñổi DA và mạch ñiện tương ứng là DAC (Digital to
Analog Converter).
3.7.2. Mạch chuyển ñổi số - tương tự(DAC)
Mạch chuyển ñổi số - tương tự ñược dùng ñể chuyển ñổi các tín hiệu số thành tín
hiệu tương tự.
Bản chất của quá trình chuyển ñổi DAC là quá trình nhận một nhóm xung dưới
dạng mã nhị phân sau ñó biến ñổi thành một mức ñiện thế hay cường ñộ dòng ñiện
tương tự nào ñó. Mức ñộ (hay ñộ lớn) của tín hiệu áp (dòng) này tỉ lệ với giá trị số ñầu

vào nhận ñược.
Dữ
liệu
số
ñầu
vào
D
0
D
1
D
n
Bộ
Tín hiệu ra
. chuyển tương tự
.
ñổi
.
. DAC
.
Hình 3-24. Sơ ñồ khối của một bộ DAC
Người ta thường sử dụng 3 phương pháp chính trong mạch DAC là:
Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Khoa ðiện tử - ðại học Kỹ thuật CN 64
Version1 - Tháng 8 năm 2009