Chương 5
ĐO TẦN SỐ - GÓC LỆCH PHA
5.1. Đo tần số
5.1.1. Khái niệm chung
Tần số là một trong các thông số quan trọng nhất của quá trình dao
động có chu kỳ. Tần số được xác định bởi số các chu kỳ lặp lại của sự thay
đổi tín hiệu trong một đơn vị thời gian.
Chu kỳ là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ
lớn và chiều biến thiên. Tức là thỏa mãn phương trình: u (t) = u ( t + T).
Tần số góc tức thời được xác định như là vi phân theo thời gian của pha
của điện áp tín hiệu, tức là ω(t) = dψ/dt. Vì pha của tín hiệu đa hài sẽ tăng
theo thời gian theo quy luật tuyến tính, cho nên tần số f là một đại lượng
không đổi. Nghĩa là:
π
ωψ
π
2
.
2
1
==
dt
d
f
(5.1)
Khoảng tần số được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: Vô
tuyến điện tử, tự động hóa, vật lý thực nghiệm, thông tin liên lạc.v.v...từ một
phần Hz đến hàng nghìn GHz.
Việc lựa chọn phương pháp đo tần số được xác định theo khoảng đo,
theo độ chính xác yêu cầu, theo dạng đường cong và công suất nguồn tín hiệu
có tần số cần đo và một số yếu tố khác.

Để đo tần số của tín hiệu điện ta cũng có hai phương pháp đó là phương
pháp biến đổi thẳng và phương pháp so sánh.
Tần số mét là dụng cụ để đo tần số. Đo tần số bằng phương pháp biến
đổi thẳng được tiến hành bằng các loại tần số mét cộng hưởng, tần số mét cơ
điện, tần số mét tụ điện, tần số mét chỉ thị số, còn đo tần số bằng phương pháp
so sánh được thực hiện nhờ ôsilôscốp, cầu xoay chiều phụ thuộc tần số, tần số
mét đổi tần, tần số mét cộng hưởng.v.v...
5.1.2. Tần số mét cộng hưởng điện từ
Để đo tần số của lưới điện công nghiệp, người ta thường sử dụng tần số
mét cộng hưởng kiểu điện từ.
Cấu tạo của tần số mét điện từ bao gồm một nam châm điện NC
(H.5.1). Các thanh thép B được gắn chặt một đầu vào thanh A cố định 2 đầu
vào giá G, còn đầu kia của các thanh thép dao động tự do. Các thanh thép có
tần số riêng khác nhau.
Tần số riêng của mỗi thanh bằng hai lần tần số của nguồn điện cần đo.
Dưới tác dụng của từ trường nam châm điện các thanh kim loại hai lần
trong một chu kỳ được hút vào nam châm và do đó mà dao động. Thanh nào
có biên độ dao động lớn nhất thì thanh đó có tần số riêng bằng hai lần tần số
cần đo. Trên mặt dụng cụ đo (H.5.1b) ta thấy biến độ dao động của thanh kim
loại lớn nhất ứng với tần số đã khắc độ trên bề mặt.
85
Ưu điểm của phương pháp này là cấu tạo đơn giản, bền.
Nhược điểm: - Giới hạn đo hẹp (45 ÷ 55Hz) hay (450 ÷ 550Hz) sai số
của phép đo thường là ± (1,5 ÷ 2,5)%.
- Không sử dụng được ở nơi có độ rung lớn và thiết bị di chuyển.
5.1.3. Tần số mét điện động và sắt điện động
Cơ cấu chỉ thị Lôgômét điện động và sắt điện động có thể sử dụng để
chế tạo tần số mét.
Về cấu tạo, Lôgômét điện động có cuộn tĩnh A được mắc nối tiếp với
cuộn động B

2
và nối tiếp với các phần tử R
2
, L
2
, C
2
; còn cuộn động B
1
mắc
nối tiếp với C
1
(H.5.2a).
Góc lệch giữa U
x
và I
1
là 90
o
(H.5.2b).
Các thông số của cuộn tĩnh A (R
2
, L
2
, C
2
) và cuộn động nối tiếp B
2
được chọn sao cho tạo được cộng hưởng điện áp trong mạch này có tần số f
xo

bằng giá trị trung bình của khoảng tần số cần đo.
86
∼ U
fx
B
1
B
2
A
I
1
C
1
I
2
= I
R
2
L
2
C
2
ψ
1
ϕ
2
-ϕ
2
ϕ
2

= 0
I
2
= I
I
1
U
fx
a)
b)
Hình 5.2. Tần số kế dùng lôgômet điện động
A
NCĐ
a)
b)
B
G
G
45 50
55
Hình 5.1. Tần số mét cộng hưởng điện từ
a. Cấu tạo; b. Mặt chỉ thị
22
2
1
CL
f
xo
π
=

(5.2)
Góc lệch α của cơ cấu chỉ thị Lôgômét điện động được tính theo biểu
thức:






=
22
11
cos
cos
ψ
ψ
α
I
I
F

(5.3)
Ở đây ψ
1
và ψ
2
là góc lệch pha giữa dòng I trong cuộn tĩnh và các dòng
I
1
, I

2
trong cuộn động. Từ sơ đồ véc tơ hình 5.2b ta có:
ψ
2
= 0 từ đó cos ψ
2
= 1 ; I = I
2
; cos ψ
1
= cos (90 – ϕ
2
) = sin ϕ
2
Nhưng ở đây sin ϕ
2
=
2
2
Z
X
(5.4)
X
2
, Z
2
– là điện kháng và tổng trở của mạch dòng I
2
.
Mặc khác

1
2
2
1
Z
Z
I
I
=
. (5.5)
Z
1
là tổng trở trong mạch dòng I
1
.
Thay vào biểu thức của góc lệch α, ta có:






=






=







=
1
2
2
2
1
2
1
2
1
.cos
X
X
F
Z
X
Z
Z
F
I
I
F
ψα
Cho rằng Z

1
≈ X
1
và chỉ có điện dung C
1
trong mạch dòng I
1
vậy:






=
1
2
X
X
F
α
(5.6)
Vì
1
1
1
C
X
x
ω

=
X
2
= ω
x
L
2
-
2
1
C
x
ω
và ω
x
= 2π f
x
Như thế:






−
=













−
=
2
122
22
1
2
2
)14(
2
1
2
1
2
C
CCLf
F
Cf
Cf
Lf
F
x

x
x
x
π
π
π
π
α
Vậy: α = φ(f
2
x
) (5.7)
Tức là góc lệch α của Lôgômét điện động là một hàm của tần số f
2
x
và
thang đo sẽ được khắc độ theo tần số.
Ví dụ: Tần số mét Lôgômét điện động kiểu Д506M (của Nga) để đo
tần số 45 ÷ 55Hz, cấp chính xác ± 1,5%.
Loại này có thể chế tạo tần số mét đo tần số cao hơn đến 2500Hz.
5.1.4. Tần số mét dùng Lôgômét điện từ
87
Về cấu tạo Lôgômét điện từ có hai cuộn dây. Cuộn thứ nhất được nối
với điện trở R
1
và điện cảm L
1
.
Cuộn thứ hai được nối với điện trở R
2

, L
2
, C
2
. Tức là hai cuộn dây có
đặc tính tải khác nhau (H.5.3).
Khi tần số cần đo của tín hiệu
thay đổi các dòng điện I
1
và I
2
sẽ thay
đổi không giống nhau vì đặc tính
điện trở của chúng khác nhau.
Giả sử khi f
x
tăng thì dòng I
1
giảm còn I
2
lại tăng như vậy tỉ số
giữa hai dòng (I
2
/I
1
) sẽ tăng và do đó
mà góc lệch α tỉ lệ với tần số.
Ví dụ: Loại tần số mét Э394 có thang đo 450 ÷ 550Hz là tần số mét
dùng Lôgômét điện từ.
5.1.5. Tần số mét điện tử

Tần số mét điện tử là dụng cụ để đo tần số âm tần và cao tần mà các
Tần số mét cơ điện không đo được. Đó là dụng cụ phối hợp giữa cơ cấu đo Từ
điện với các bộ biến đổi để thực hiện biến đổi tần số thành dòng 1 chiều.
Hình vẽ 5.4a) là sơ đồ nguyên lý.
Khi khoá K ở vị trí 1, tụ C được nạp điện đến điện áp U của nguồn
điện. Điện tích nạp Q = CU.
Khi khoá K chuyển sang vị trí 2, tụ C phóng điện qua cơ cấu Từ điện
(CT). Nếu vị trí của khoá K được thay đổi với tần số bằng tần số đo f
x
thì giá
trị dòng điện trung bình đi qua cơ cấu đo:
I
tb
= Q.f
x
= C.U.f
x.
(5.8)
Từ đó ta thấy nếu C và U là đại lượng không đổi thì dòng điện qua
dụng cụ đo tỉ lệ với tần số cần đo và có thể khắc độ trực tiếp theo đơn vị tần
số.
Trong các Tần số mét điện tử khoá K được thay bằng khoá điện tử nhờ
một Transito (Hình 5.4b). Điện áp có tần số cần đo U
fx
được đưa qua Bộ Tạo
xung TX. Khi chưa có xung đặt vào Bazơ của Transito, T ở chế độ khoá và
Tụ C được nạp đến điện áp U với điện tích q = CU.
88
∼ U
fx

I
2
I
1
R
2
R
1
L
2
L
1
C
2
Hình 5.3. Tần số mét dùng
Lôgômét điện từ
R
C
U
CT
f
x
K
I
tb
1
1 2 2
D
2
CT

U
cc
U
fx
TX
R
D
1
C
Hình 5.4. Tần số mét điện tử
a)
b)
Khi có xung vào Bazơ của T, Transito làm việc ở chế độ thông, tụ C
được phóng điện qua T, điốt D
2
và cơ cấu đo (CT) , chỉ thị được khắc độ đo
theo giá trị tần số.
Tần số mét loại này được dùng để đo tần số của tín hiệu hình sin từ
10Hz đến 500kHz, sai số ± 2%. Nếu tín hiệu xung có thể đo với dải tần từ
10Hz đến 20kHz, sai số ± 2%.
5.1.6. Tần số mét chỉ thị số.
Hình vẽ 5.5 là sơ đồ khối của tần số mét chỉ thị số có 4 chỉ số và các
dạng sóng điện áp.
Tín hiệu có tần số cần đo được đưa vào khuếch đại hoặc làm suy giảm,
sau đó đưa đến Triger Schmitt để tạo thành các xung vuông. Đầu ra của mạch
89
Hình 5.5. Sơ đồ khối của máy đếm tần số hiện số
Màn hiện
BCD tới
giải mã

thanh
7 đoạn
Mạch khoá
Máy đếm
thập phân
Dấu chấm
thập phân
Bộ
định thời
Lối vào khoá
Cửa
AND
Công tắc chọn Dấu
chấm thập phân
Lối vào reset Lối vào
reset
Trigơ
Schmitt
Flip-Flop
Công tắc chọn
gốc thời gian
Bộ khuếch đại / suy giảm
Tín hiệu vào
Q
Lối vào
Màn hiện
BCD tới
giải mã
thanh
7 đoạn

Mạch khoá
Máy đếm
thập phân
Màn hiện
BCD tới
giải mã
thanh
7 đoạn
Mạch khoá
Máy đếm
thập phân
Màn hiện
BCD tới
giải mã
thanh
7 đoạn
Mạch khoá
Máy đếm
thập phân