Ch 04 xu ly tin hieu

• 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

04 Xử lý tín hiệu

• 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 tư sang tín hiệu số và ngược lại

Bộ khuếch đại thuật toán là phần tử căn bản trong các mạch xử lý tín hiệu

Đặc tính của một Op-amp lý tưởng

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

- hệ số khuếch đại mạch hở rất lớn: A = 100000+

- trở kháng vào lớn: R in  1 M

- trở kháng ra thấp: R out = 50-75 

v out = A(v 2 – v 1 )

Xét hệ số khuếch đại A = 100000

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

 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

 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

Mạch so sánh

Mạch lặp điện áp

Mạch khuếch đại đảo

Ví dụ : một phần tử đo sơ cấp có tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 100 mV khi biến được đo thay đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động

Thiết kế mạch khuếch đại đảo để tạo ra một tín

hiệu ra biến thiên từ 0 đến -5 V

Giải : Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50

Chọn

Mạch khuếch đại không đảo

Ví dụ : một phần tử đo sơ cấp có tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 100 mV khi biến được đo thay đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động

Thiết kế mạch khuếch đại không đảo để tạo ra

một tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 5 V

Giải : Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50

Chọn

Lưu ý: giá trị của Ri và Rf thường được chọn sao cho:

Mạch tổng

Ví dụ : Theo thước đo về sự thoải mái, hệ thống điều hòa của một tòa nhà sẽ hoạt động khi tổng giá trị trả về từ bộ cảm biến nhiệt độ và bộ cảm biến độ ẩm là 1 V Điện áp ngưỡng để kích hoạt hệ thống điều hòa là 5 V Thiết kế mạch giao tiếp để

Nếu

Giải : Hệ số khuếch đại: A = R f / R i = 5

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

trị dương

Mạch khuếch đại vi sai

Nếu và

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

Với bộ lặp lại điện áp:

• Tăng tổng trở vào để không ảnh hưởng đến tín hiệu nguồn (tín hiệu từ cảm biến)

• Trở kháng của hai tín hiệu vào được cân bằng

• Cách ly giữa nguồn tín hiệu với các giá trị điện trở Ra, Rf …

Mạch tích phân

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

10 k  và điện dung là 1  F

• 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 t2 khi Op-amp đạt đến

trạng thái bảo hòa (ở giá trị -16 V)

Giải :

Mạch vi phân

Mạch tạo hàm

Là mạch mà tín hiệu ra là một hàm phi tuyến đối với tín hiệu vào Mạch này

được tạo nên bằng cách thay đổi một trong hai điện trở của mạch khuếch đại

đảo bằng một phần tử mà có đặc tính volt-ampere phi tuyến

Mạch tạo hàm căn bậc hai

Cách ly và biến đổi trở kháng

- Bảo toàn tín hiệu được đo

- Bảo vệ thiết bị đo

Transformer coupling

Optical coupling

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 điện

Ví dụ: Thiết kế mạch chuyển đổi một tín hiệu 20 mA thành tín hiệu 5 V

Giải :

Ví dụ: Thiết kế mạch chuyển đổi một tín hiệu 12 V dc thành tín hiệu 20 mA

Giải :

Mạch cầu cân bằng:

Ví dụ : Một mạch cầu Wheatstone được dùng

để đo một giá trị điện trở chưa biết (Rs như

hình trên) Biến trở R3 được cân chỉnh cho

đến khi mạch cầu cân bằng Khi mạch cầu

cân bằng, R2 = 500  , R3 = 226  , và R4

=1000  Xác định giá trị Rs

Giải :

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

Giá trị điện trở từ phần tử cảm biến sơ cấp Rs được 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

Ta có:

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

Giá trị điện trở từ phần tử cảm biến sơ cấp Rs được 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 Rs và giá trị Rbal (là giá trị của Rs khi mạch cầu ở trạng thái cân bằng)

Đặt: và

Ta có:

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 bộ lọc thông cao bộ lọc thông dãy bộ lọc chắn dãy

Bộ lọc thông thấp

Mạch lọc thụ động Mạch lọc tích cực

Mạch lọc tích cực hai tầng

Xét  = 1, mạch lọc 1 tầng Xét  = 1, mạch lọc 2 tầng

với A = Biên độ trước khi lọc

Biên độ sau khi lọc

Ví dụ : Thiết kế mạch lọc thông thấp tích cực một tầng có hệ số suy giảm là 25 đối với tín hiệu tần số 60 Hz Tính giá trị điện trở R khi tụ điện C trong mạch RC có giá trị 10  F

Giải :

Bộ lọc thông cao / thông dãy / chắn dãy

Mạch lọc thông cao Mạch lọc chắn dãy

Decibels (db)

Hệ số của các mạch khuếch đại và mạch lọc thường được biễu diễn ở

dạng decibels (db, Alexander Graham Bell)

Hệ thống decibels mở rộng những giá trị

khuếch đại nhỏ và nén lại những giá trị

khuếch đại lớn

• 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

Hệ thống decibels rất tiện lợi trong việc tính hệ số khuếch đại của

cả hệ thống

Lưu ý:

- 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

những đoạn thẳng

Cách ly

- Đường tín hiệu chỉ đi

theo một chiều, do đó

mạch này bảo vệ bộ

điều khiển khỏi sự ảnh

hưởng của những xung

điện do phụ tải tạo nên

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

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

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 có thể nạp đến 99% giá trị Vin)

Ảnh hưởng của tần số lấy mẫu

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 (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

Tần số Nyquist

Tất cả những thành phần có tần số

f lớn hơn tần số Nyquist (fN) sẽ

được nhận diện ở tần số nhỏ hơn fN

thông qua biểu đồ xếp

Ví 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

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.  t

2 tiêu chuẩn lấy mẫu :

Với mn là số nguyên dương cho tất cả các thành phần của tín hiệu

(T1, T2, …, Tn)

Ví dụ: Cho tín hiệu sau: Xác định tần số lấy

mẫu và chu kỳ lấy mẫu để tránh gây ra sai số

Ví dụ: Cho tín hiệu sau: Xác định

tần số lấy mẫu và chu kỳ lấy mẫu để tránh gây ra sai số

Chuyển đổi dữ liệu (số - tương tự)

Lưu ý: khi n càng lớn, v omax tiến dần

đến v FS

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

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

Chuyển đổi dữ liệu (tương tự - số)

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

Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật gần đúng liên tiếp

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

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

- Tốc độ chuyển đổi: chậm

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

- Tốc độ chuyển đổi: rất nhanh

- Cần (2 n – 1) bộ so sánh