Kỹ thuật điều khiển tự động _ Chương 4 pptx

• Những công việc xử lý tín hiệu thường gặp là: cách ly và biến đổi trở kháng; khuếch đại tín hiệu; lọc chống nhiễu; tuyến tính hóa; lấy mẫu; chuyển đổi tín hiệu tương ễu; uyế óa; ấy ẫu;

Trang 1

Ch 4: Xử lý tín hiệu ý ệ

Bộ ử lý tí hiệ ó hứ ă là h ể đổi ột tí

• Bộ xử lý tín hiệu có chức năng là chuyển đổi một tín

hiệu sơ cấp thành một tín hiệu có thể sử dụng được bởi

phần tử kế tiếp trong hệ thống

• Những công việc xử lý tín hiệu thường gặp là: cách ly

và biến đổi trở kháng; khuếch đại tín hiệu; lọc (chống

nhiễu); tuyến tính hóa; lấy mẫu; chuyển đổi tín hiệu tương ễu); uyế óa; ấy ẫu; c uyể đổ ệu ươ g

tư sang tín hiệu số và ngược lại

• Bộ khuếch đại thuật toán là phần tử căn bản trong các

h ử lý tí hiệ

mạch xử lý tín hiệu

4.1 Bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) ( )

Đặc tính của một Op-amp lý tưởng p p ý g

Op-amp là một mạch khuếch đại tuyến tính với :

Trang 2

Xét hệ số khuếch đại A = 100000

5 giả thiết về đặc tính làm việc lý tưởng của Op-amp trong vùng làm việc tuyến tính

• Hệ số khuếch đại vô cùng lớn, A = ∞

⇒ Không tiêu hao năng lượng

• Băng thông vô cùng lớn

⇒ Không giới hạn tần số làm việc

• Đường đặc tuyến luôn đi qua điểm gốc tọa độ

⇒ V = 0 (khi v = v )

⇒ Vout= 0 (khi v1= v2)

Đặc tính làm việc của các mạch Op-amp ứng dụng (hệ số khuếch đại, trở kháng, và đáp ứng tần số) đều được xác định bởi các linh kiện (điện trở, tụ điện) được nối trong mạch

ứ g tầ số) đều được ác đị bở các ệ (đ ệ t ở, tụ đ ệ ) được ố t o g ạc

Trang 3

4.2 Các mạch Op-Amp cơ bản

•Mạch so sánh

Trang 5

Lưu ý: giá trị của Rithường được chọn sao cho:

Trang 6

của hai bộ cảm biến với hệ thống điều hòa

Giải: Hệ số khuếch đại: A = Rf/ Ri= 5

Chọn

Một mạch đảo dấu (với A = 1) được dùng để đảm bảo tín hiệu ra có giá trị dương

Trang 7

•Mạch khuếch đại thiết bị

Là một mạch khuếch đại vi sai với trở kháng vào lớn – 2 tín hiệu vào thường được đệm bởi bộ lặp lại điện áp

Trang 9

Thí dụ: Tín hiệu hằng số 100 mV áp vào một mạch tích phân Mạch có trở kháng là 10 kΩ

và điện dung là 1 µF

• Xác định biểu thức của tín hiệu ngõ ra ở thời điểm t2

• Nếu t1= 5 s và vout(t1) = +10 V, xác định thời điểm t2khi Op-amp đạt đến trạng thái bảo hòa (ở giá trị -16 V)

Giải:

•Mạch vi phân

Trang 10

tử mà có đặc tính volt-ampere phi tuyến.

Mạch tạo hàm căn bậc hai

4.3 Xử lý tín hiệu tương tự ý g

•Cách ly và biến đổi trở kháng

- Bảo toàn tín hiệu được đo

- Bảo vệ thiết bị đo

Optical coupling

Transformer coupling

Trang 11

•Khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu

- Khuếch đại đảo / không đảo / vi sai

- chuyển đổi dòng điện sang điện áp / điện áp sang dòng điệny g g g g

Trang 12

• Mạch cầu Wheatstone

- Một số cảm biến sơ cấp chuyển đổi giá trị của tín hiệu được đo thành giá trị điện trở

- Mạch cầu Wheatstone là phương pháp phổ biến để xác định sự thay đổi nhỏ về điện trở của một phần tử

Mạch cầu cân bằng:

Thí dụ: Một mạch cầu Wheatstone được

dùng để đo một giá trị điện trở chưa biết

(Rsnhư hình trên) Biến trở R3được cân

Trang 13

Xác định giá trị Rs(từ phần tử cảm biến) bằng mạch cầu tự cân bằng

Giá trị điện trở từ phần tử cảm biến sơ cấp Rsđược thể hiện qua giá trị dòng điện ở ngõ

ra của bộ điều khiển cân bằng (null controller) – có chức năng duy trì mạch cầu luôn ở trạng thái cân bằng

trạng thái cân bằng

Ta có:

Trang 14

Xác định giá trị Rs(từ phần tử cảm biến) bằng mạch cầu bất đối xứng

Giá trị điện trở từ phần tử cảm biến sơ cấp Rsđược thể hiện qua giá trị điện áp của

mạch khuếch đại thiết bị - giá trị điện áp này tỉ lệ với sự chênh lệch giữa gíá trị Rsvà giá

trị R (là giá trị của R khi mạch cầu ở trạng thái cân bằng)

trị Rbal(là giá trị của Rs khi mạch cầu ở trạng thái cân bằng)

Trang 15

•Chống nhiễu

- Các mạch lọc được thiết kế để làm giảm sự ảnh hưởng của nhiễu đối với tín hiệu

- Những thành phần tần số được bộ lọc cho qua thì biên độ của nó không bị ảnh hưởng

bộ lọc thông thấp

( low-pass filter )

bộ lọc thông cao ( high-pass filter )

bộ lọc thông dãy ( band-pass filter )

bộ lọc chắn dãy ( band-stop filter )

Bộ lọc thông thấp

Mạch lọc thụ động

Trang 16

Thế s = jω= 377j vào trong hàm truyền

Trang 17

với A = Biên độ trước khi lọc

Biên độ sau khi lọc

• Đối với bộ lọc 2 tầng:

Thí dụ: Thiết kế mạch lọc thông thấp tích cực một tầng có hệ số suy giảm là 25 đối với

Trang 18

Bộ lọc thông cao / thông dãy / chắn dãy

Mạch lọc thông cao Mạch lọc chắn dãy

A = 1 (không tăng / giảm)→ A = 0 db

• A = 1 (không tăng / giảm) → Adb= 0 db

• A = 2 (giá trị tín hiệu ra gấp 2 lần giá trị

tín hiệu vào → Adb= 6 db

• A = 0.5 (giá trị tín hiệu ra bằng phân nữa

giá trị tín hiệu vào → Adb= -6 db

Trang 20

Đường cong của bộ

- Đường cong của bộ

tuyến tính đối xứng với

đường đặc tính của phần

tử phi tuyến qua đường

thẳng x = y

- Đường cong của bộ

tuyến tính có thể được nội

suy xấp xỉ bằng tập hợp

ẳnhững đoạn thẳng

mạch này bảo vệ bộ điều

khiển khỏi sự ảnh hưởng

của những xung điện do

h tải t ê

phụ tải tạo nên

Trang 21

4.3 Xử lý tín hiệu số ý

Trong những hệ thống điều khiển số, những công việc sau đây luôn hiện hữu

• Chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (hệ thống thu nhận dữ liệu)

• Chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (hệ thống phân phối dữ liệu)

và chúng liên quan đến hai vấn đề: lấy mẫu dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu

ấ ẫ

•Lấy mẫu

- Để rút ra những thông tin quan

trọng của tín hiệu được đo (tín

hiệu tương tự)

- Với những thông tin đã có, bộ

điều khiển số có thể xử lý và tái

tạo lại tín hiệu gốc ban đầu

Trang 22

Mạch lấy mẫu và giữ

- Để lấy mẫu, công tắc được đóng lại trong một khoảng thời gian đủ để tụ nạp đến giá trị

Vin Khi công tắc được nhả ra, giá trị điện thế được giữ nguyên

- Thời gian công tắc đóng lại (t) được xác định như sau (trong khoảng thời gian này, tụ g g g ạ ( ) ợ ị ( g g g y ụ

Trang 23

Định lý lấy mẫu (tiêu chuẩn Nyquist)

Tất cả thông tin của tín hiệu gốc có thể được phục hồi nếu nó được lấy mẫu với tần số (fs) lớn gấp ít nhất 2 lần tần số cao nhất (fh) trong tín hiệu gốc

Thời gian lấy mẫu:

Tần số bí danh (Alias frequency)

Khi một tín hiệu được lấy mẫu với tần số (f ) nhỏ hơn hai lần tần số cao nhất (f ) trongKhi một tín hiệu được lấy mẫu với tần số (fs) nhỏ hơn hai lần tần số cao nhất (fh) trong tín hiệu gốc, thành phần có tần số cao sẽ được nhận diện ở thành phần có tần số thấp hơn (tần số bí danh)

Trang 24

Thí dụ: Một tín hiệu dao động 10 Hz được lấy mẫu ở tần số 12 Hz Hãy cho biết với tần

số lấy mẫu này, thì tín hiệu nguồn nên có tần số cao nhất là bao nhiêu mới có thể nhận diện được đúng? Xác định tần số bí danh (alias frequency)

Giải:

Tần số Nyquist

Đây chính là tần số cao nhất mà có thể được nhận diện đúng ở tần số lấy mẫu 12 Hz

Những tần số cao hơn fN sẽ bị nhận diện ở tần số bí danh fa(0 < fa < fN)

Ta có:

Kết quả trên có nghĩa là tín hiệu 10 Hz được lấy mẫu ở tần số 12 Hz sẽ cho kết quả

giống như một tín hiệu 2 Hz được lấy mẫu ở tần số 12 Hz

Chu kỳ lấy mẫu: nếu N là số lần lấy mẫu thì chu kỳ lấy mẫu tín hiệu (tổng thời gian lấy mẫu) là N.δt.

2 tiêu chuẩn lấy mẫu:

Với m là số nguyên dương cho Với mnlà số nguyên dương cho tất cả các thành phần của tín

hiệu (T1, T2, …, Tn)

Trang 25

Lấy mẫu 5 lần với tần số lấy mẫu là 20

Trang 26

•Chuyển đổi dữ liệu (số - tương tự) y ệ ( g ự)

Lưu ý: khi n càng lớn, vomax tiến dần đến vFS

Bộ chuyển đổi số - tương tự - kiểu tầng điện trở (stepped resistor)

Trang 27

Bộ chuyển đổi số - tương tự - kiểu mạng R-2R (R-2R network)

•Chuyển đổi dữ liệu (tương tự - số) y ệ ( g ự )

Trang 28

Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật đếm nhị phân

Trang 30

Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật đường dốc đơn

Trang 32

Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật song song

- Tốc độ chuyển đổi: rất nhanh

- Cần (2n– 1) bộ so sánh

Tiêu đề	Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động _ Chương 4 pptx
Người hướng dẫn	PTS. Nguyễn Văn A
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật điều khiển tự động
Thể loại	Bài giảng
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	32
Dung lượng	4 MB