Nghiên Cứu Thiết Kế Và Thực Hiện Hệ Thống Thu Nhận Và Xử Lý Dữ Liệu Nhiều Kênh Cho Biến Tử Áp Suất Điện Áp Dùng M68HC11

Tuy nhỉên sự phát triển cho quá trình sử lý đòi hỏi rất đắt và theo đó nó chỉ tạo ra ở một độ lớn nhất định nào đó .Quá trình sử lý tín hiệu của sensor tích hợp thành công phải có sự thừ

§¹i häc c«ng nghÖ

§¹i häc quèc gia Hµ

Khoa ®iÖn tö viÔn th«ng

KHO¸ LUËN TèT NGHIÖP

§Ò Tµi : Nghiªn cøu thiÕt kÕ vµ thùc hiÖn hÖ thèng thu nhËn

vµ xö lý d÷ liÖu nhiÒu kªnh cho biÕn tö ¸p suÊt ®iÖn ¸p dïng

Lời cảm ơn :

Trong quá trình thực tập và làm khoa luận tốt nghiệp , tôi được sự hướng dẫn sâu sát , tận tình của thầy giáo , Tiến sỹ Hồ Văn Sung , anh Trần Ngọc Quý , cùng cán bộ phòng thực hành bộ môn thông tin vô tuyến đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành nhiệm vụ thực tập Nhân dịp này cho php tôi được bày tỏ lòng biết ơn trân trọng đối với sự giúp đỡ quý báu đó

Tôi cũng mong nhận được sự đánh giá , nhận xét và ghóp ý kiến của Thầy (Cô ) phản biện về bài luận của tôi , để giúp tôi nâng cao nhận thức của mình hơn nữa về đề tài của tôi Tôi xin chân thành cảm ơn

Sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ IC đã thách thức tới công nghệ thiết kế vật lý của Sensor tích hợp và hệ thống MEMS ( Micro -Electronic -Mechanical -Systems ) Công nghệ vi hệ thống MTS ( Microsystem Technology ) xuất hiện khi xảy ra sự kết hợp của phần tử cảm biến (sensing element ), xử lý tín hiệu (signal procesing ) và kích hoạt tín hiệu (action ) cho phép cả sensor truyền thống và sensor mới có thể thực hiện ở một dải rộng của ứng dụng và hoạt động trong dải đó

Thuật ngữ MEMS được được sử dụng theo các cách hiểu khác nhau Trong một vài trường hợp nó tương đương với công nghệ vi hệ thống, trong một vài trường hợp khác nó bao gồm chỉ bề mặt vi cơ khí của sản phẩm Hệ thống MEMS kể từ sau này như sự mở rộng tới trong công nghệ IC :" một chíp cung cấp chức năng cảm nhận hay kích thích "

Sự định nghĩa về sensor thông minh được dựa trên cơ sở : " a sensor thông minh như

là một chíp, không có linh kiện ngoài, nó bao gồm có các chức năng sau: Phần tử cảm biến (sensing), phần giao diện (interfacing), phần xử lý tín hiệu (signal procesing ) và phần thông minh (tự kiểm tra, tự thích nghi, tự thử ….)

Nhiệm vụ chính của việc thiết kế thiết bị đo, sensor, bộ chuyển đổi luôn có sự hệ thống đo lường hiệu suất cao Sự phát triển công nghệ đo lường tại các thời điểm khác nhau được giải thích ở các cách khác nhau, ở đó là những phương pháp công nghệ bao gồm việc hoàn thành công nghệ cũng như cấu trúc và phương pháp thuật toán Về phương diện lịch sử những phương pháp công nghệ đã được thừa nhận rộng rãi và phổ biến ở Mỹ, Nhật và Tây Âu Sự cải tiến của hiệu suất hệ thống đo lường và sự mở rộng khả năng của các chức năng đang đạt được qua sự mở rộng của của cấu trúc thiết kế trong hầu hết các trường hợp để tìm ra con đường ứng dụng những tiến bộ của tính toán và xử

lý Sensor số, sensor cận số và bộ chuyển đổi không loại trừ sự bổ xung này

Ngày nay hầu hết các tính chất của vật liệu và năng lượng có thể được biến thành dòng hay điên áp dưới tác dụng của các sensor khác nhau Hầu hết các các sensor dựa trên cơ sở sử dụng bộ điều chế biên độ của quá trình xử lý tín hiệu điện từ, chúng gọi là các sessor tương tự

Sensor xuất hiện khi mà cần kết quả của phép đo tới lối vào của máy tính Đầu tiên, nhiệm vụ của các sensor làm thay đổi âm lượng tương tự thành một mã bởi bộ biến đổi tương tự ra số (bộ ADC ) Sự chế tạo ra sensor hoàn toàn số và đặc biệt là sensor tần số đến các sensor khác hứa hẹn nhiều phương hướng mà chúng ta sẽ tìm hiểu ở các phần sau Sensor cận số là rời rạc trong lĩnh vực tần số và thời gian với tần số, chu kỳ, khoảng thời gian, số xung và dịch pha ở lối ra Ngày nay lối ra của tần số của sensor nhiều nhất trong số các sensor gần số

Sự phân ra các loại bộ chuyển đổi tần số ví dụ máy đo gia tốc cảm ứng mà chúng ta

đã biết từ năm trước, ví dụ sự sáng chế nhiệt kế đo nhiệt độ cho khoảng cách xa đã đạt được năm 1930 Tuy nhiên lối ra tần số của sensor (trước khi bộ chuyển đổi tần số xuất hiện) đã được đo bằng phương pháp tương tự Vì vậy không đạt được nhiều kết quả trên thực tiễn

Với sự xuất hiện của vi hệ thống sensor ở những năm gần đây và sự phát triển nóng bỏng của công nghệ vi hệ thống trên toàn thế giới, công nghệ học và đánh giá những yếu

tố có sự tăng thêm lợi ích của sensor số và sensor gần số Công nghệ hiện đại có khả năng giải quyết thích hợp những nhiệm vụ phức tạp, có liên quan đến sự tạo thành của các sensor khác nhau Tuy nhiên cho đến nay vẫn có những sự cản trở chủ yếu ngăn cản công nghiệp khai thác rộng lớn của sensor trong hệ thống của chúng

Có một vài lý do chủ quan sau :

-Sự thiếu nhận thức về tiềm năng của phương pháp hiện đại của bộ biến đổi tần số -thơì gian ở trong nhiều công ty

- Xu huớng các công ty trở lại, đầu tiên số lượng tiêu dùng chủ yếu là đầu

tư phát triển ở trong bộ biến đổi tương tự ra số (ADC)

- Sự thiếu vị trí quan trọng trong thương mại và trong các dịch vụ của thị trường mà công nghệ đo lường có thể đem lại cho công ty …

Chương 1:

Giới thiệu chung về các sensor

1.1 Các loạI sensor :

Sensor là thiết bị biến các đặc trưng vật lý thành tín hiệu điện lối ra

Theo tín hiệu ra của Sensor và bộ chuyển đổi có thể chia tín hiệu này thành các thành các loại sau : thế (biên độ), dòng ,tần số , xung thời gian và mã

Theo tín hiệu lối vào các sensor được chia thành các loai phổ biến như sau :

+)Sensor áp suất : là thiết bị biến áp suất lối vào thành tín hiệu điện lối ra như điện áp +) Sensor quang : là thiết bị biến ánh sáng thành tín hiệu điện lối ra như : tần số…

+) Sensor công suất: là thiét bị biến công suất lối vào thành tín hiệu điện lối ra như là tần

Quá trình xử lý tín hiệu và biểu diễn của thông tin đi đến từ bên ngoài là nhiệm vụ chính của hệ thống thu dữ liệu và thiết bị đo trên cở sở các máy tính Dữ liệu thu được và điều khiển hệ thông cần có tín hiệu thực vào bên trong máy tính Các tín hiệu có thể đến

từ một dảI gồm nhiều tín hiệu khác nhau của các bộ chuyển đổi và các sensor.Theo đó dữ liệu thu được tập hợp lại sự đo tín hiệu điện từ sensor và bộ chuyển đổi và vào trong máy tính xử lý Xa hơn nữa việc xử lý còn bao gồm cả tính chất chuyển đổi của các sensor

Thường , sensor là một thiết bị được thiết kế có ý định thu được thông tin từ đối tượng cần đo và chuyển thông tin đó thành tín hiệu điện Một sensor cổ điển có thể chia thành các phần như mô tả ở hình vẽ 1.1

(4) (3)

(2)

Hình 1.1 Cấu trúc của một sensor truyền thống

Trong đó:

(1) là phần tử cảm biến (sensing element)

(2) Là khối chuẩn hoá và xử lý tín hiệu (signal conditioning and processing.)

(3) Bộ biến đổi tương tự -số (A/D)

(4) Giao diện bus của sensor ( Sensor -bus interface )

(5)Máy tính

Ta mô tả cấu tạo của sensor truyền thống như sau:

- Phần đầu tiên là khối cảm biến (sesing element) ( trong ví dụ là điện trở ,tụ điện , transtor, photodiot …) Tín hiệu được tạo ra từ khối dự đoán cảm ứng khi nó chịu tác dụng của tạp âm hay sự giao thoa (nhiễu)

- Phần thứ hai là khối chuẩn hoá (signal -conditioning và procssing ) và xử lý tín hiệu như là khối khuyếch đại , khối lọc ,khối bù, khối tuyến tính…là cần thiết để làm giảm bớt những đặc tính không lý tưởng của các sensor

ĐôI khi , phần cả m biến được sử dụng trong một chíp đơn giản , một bộ hợp kênh là cần thiết Trong trường hợp này dữ liệu thu được , tín hiệu đến tù các sensor phải được định dạng thành một dãy nối tiếp hay là dãy song song Chức năng này có thể được thực hiện nhờ bộ biến đổi tương tự ra số (ADC) hay bộ chuyển đổi từ tần số ra số

-Khối cuối cùng là giao diện bus của các sensor.Một hệ thống thu dữ liệu có thể bắt đầu cấu hình khi sensor đuợc nối với một bộ ghép kênh số Khi chúng ta sư dụng một số lượng sensor lớn thì tổng số chiều dài của cáp nối và số kết nối tại bộ ghép kênh có thể rất lớn

Sơ đồ khối cúa các sensor thông minh được chỉ ra ở hình ve sau:

µK

Signal conditioning

Sensing

Hình 1.2 Cấu trúc c ủa sensor thông minh

Trong đó µK là một vi điều khiển

Một vi điều khiển được sử dụng cho xử lý tín hiệu số (trong ví dụ là mạch lọc số ) , biến đổi tương tự ra số ,hay chuyển tần số ra mã , chức năng tính toán và giao diẹn.Vi điển khiển có tư

hể kết hợp với giao diện mạch chuẩn Rất nhiều vi điển khiển bao gồm hai dây , nó được làm phù hợp cho truỳen thông khoảng cách ngắn ( vài mét hoặc dùng giao diện RS-232/485 có thẻ dùng cho truyền thông khoảng cách dài hơn)

Sự khác nhau về bản chất của sensor thông minh với sennor tích hợp là với sensor thông minh có mạch nhớ kết quả tín hiệu xử lý, nó có khả năng thông minh như nhả năng phán đoán ,tự thực hiện ,tự thích nghi (tạo ra quyết định ).Theo thường lệ ,chức năng thực hiện đầy đủ (sự bổ xung ) phải được xây dụng trong cá vi điều khiển Những chức năng và điện thế nhỏ trong hoạt động là những ưu điểm chính của sensor thông minh Sensor thông minh thể hiện tính thích nghi trong xử lý đo lường có thể đạt được chính xác cao ,cũng như tốc độ và công suất tiêu thụ Đôi khi 'sensor thông minh được gọi là " bộ chuyển đổi thông minh "

Hiên tại ,có rất nhiều loại sensor sẵn có có thể dùng được Sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ xử lý tín hiệu chuẩn cho thiết kế VLSI , sự chế tạo đã cung cấp công nghệ cơ bản cho sensor thông minh và mở ra nhiều cách có thể dẫn tới làm phù hợp những yêu cầu của khách hàng được tích hợp trong sensor ở các khía cạnh về hiệu suất ,kích thước và giá cả Những gợi ý làm nhẵn của sensor kết hợp với điện tử , công nghệ chế tạo hoàn thành hệ thống thu dữ liệu trong một chíp silíc Điều quang trọng của sản phẩm là chế tạo tính tương thích của sensor ,sensor tương tự liên hệ với mạch vi điện tử

và giao diện mạch số Trên thực tế , phần dự đoán cảm ứng bằng silíc và mạch đọc tín hiẹu thực , một quá trình có thể phát triển để kết hợp chúng trong một chíp Tuy nhỉên sự phát triển cho quá trình sử lý đòi hỏi rất đắt và theo đó nó chỉ tạo ra ở một độ lớn nhất định nào đó Quá trình sử lý tín hiệu của sensor tích hợp thành công phải có sự thừa nhận của sự phức tạp hoặc có thể áp dụng cho một giải tần của sensor Công nghệ MEMS cho phếp kích thước của sensor nhỏ , tại một thời điểm sự tích hợp của các với chức năng vi mạch điện tử ở trong không gian nhỏ Tuy nhiên công nghệ MEMS tao ra khối lượng sensor với giá cả tăng trong khi cải tiến chức năng và kích thứơc của chúng là tối thiểu

Tất nhiên sự bổ xung của vi điều khiển trong một chíp cùng với phần tử dự đoán và mạch điều lệnh tín hiệu (signal conditiong circuit ) là tao nhã và là giả pháp năng lượng được ưa thích Tuy nhiên sự tích hợp lại cùng với sự tiến bộ của quá trình sử lý tín hiệu và phương thức biến đổi ở trong nhiều trường hợp đạt được kỹ thuật hiện đại và hiệu suất đo lường cho chu kỳ từ thời gian đến thị trường ngắn hơn không phải tăng thêm phí tổn cho công cụ thiết kế máy tính giúp đỡ và quá trình thiết kế sensor thông minh dài dòng Trong sự bổ xung của sensor thông minh với quá trình xử lý tín hiệu tích hợp lai, phần cứng nhỏ là điều kiện cần thiết để đạt được sự hợp của giá cả và độ tin cậy

cao.Trong trường hợp này chúng ta gọi là "sensor thông minh lai ", ở đó phần tử cảm biến và phần mạch địện tử đặt trong cùng một chỗ

Sensor ở lĩnh vực tần số -thời gian được làm từ một công nghệ và sự chế tạo thích nghi : Sự đơn giản hoá của phần mạch chuẩn hoá tín hiệu (signal conditioning curcuit ) và bộ biến đổi số liệu thu được thành mã , cũng như hoạt động của hệ thông đo lường và phần cứng cho sự hoạt động Các sensor cơ bản dựa trên hiện tượng cộng hưởng

và sự thay đổi của máy phát dao động , thông tin của máy phát dao động không được nhớ

về biên độ nhưng nhớ thông số tần số hay thông số thời gian của tín hiệu ra

Các sensor có tần số là fx , chu kỳ là Tx=1/fx ,độ rộng xung là tp ,khoảng không gian

là ts , chu trình thực hiện là tp/tx ,hệ số truyền trực tiếp là Tx/tp , số xung là N , dịch pha

là ( hoặc khoảng thời gian của tín hiệu ra là ( ,Cac thông tin về các tham số đựoc chỉ ra ở hình vẽ sau :

Tx=1/fx

Có 6 ưu điểm chính sau:

1.Kháng nhiễu cao :

-Có thể truyền với tốc độ chính xác cao hơn so với sensor tương tự và số, và thích hợp cho phương pháp điều chế tần số

-Tín hiệu tần số có thể truyền với khoảng cách xa hơn

-Tín hiệu tần số có thể truyền qua cổng nối tiếp số, nên nó bao gồm cả ưu điểm của tín hiệu số

-Hơn nữa nó chỉ cần hai đường tín hiệu khi truyền, so với tín hiệu số nó có ưu điểm là không cần tín hiệu đồng bộ

2 Công suất tín hiệu cao

Công suất tín hiệu ở lổi ra sensor tần số phụ thuộc vào công suất nguồn phát dao động, nên ta có thể tăng công suất tín hiệu lối ra nhờ tăng công suất máy phát tín hiệu

Tần số chuẩn, ví như một bộ thạch anh, là ổn định hơn một bộ chuẩn nguồn

5 Giao diện truyền thông thực hiện đơn giản

6 Dễ dàng hợp kênh số và mã hoá

1.3 IC áp suất và sensor thông minh

1.3.1 Sensor áp suất/điện áp : là thiết bị biến đổi áp suất (tác đông bên ngoài) thành tín

hiệu địên là điện áp

Có rất nhiều sỏ đồ cấu trúc Sensor áp suất /điện áp , ở đây ta xét một sỏ đồ điển

Hình vẽ Cấu truc điển hình của sensor áp suất điện áp

1.3.2 Sensor áp suất thông minh :

Giống như các biến tử khác ,biến tử áp suất rât là phổ bíến ở Châu Âu , thực sự biến

tử áp suất được thiết kế vào năm 1968 bởi Gieles tạI Philips Reseach Laboatries và được lần đầu tiên biến tử áp suất tích hợp với lối ra số được thiết kế như lối ra số là tần số và được kiểm tra năm 1971 tại Case Westerrn Reserve University Màng ngan nhỏ bằng silic với trở cầu nối tạI trung tâm của màng ngăn và được kín khít tới chân hợp kim vàng-thiếc rất mỏng ,đã được phát triển trong y học như cấy dưới ra ,mô cấy ,ống phóng

xạ để chữa ung thư … và trong các chương trình ứng dụng

Sensor áp suất biến đổi áp suất từ bên ngoài thành tín hiệu đIện áp lối ra Để đạt mục đích này ,sensor bán dẫn sử dụng sự khuyếch tán đá -silíc đo điện trở khác nhau.Yếu tố trở thiết lập cảm ứng tập trung trên màng silíc mỏng, áp suất cung cấp từ màng mỏng silíc là nguyên nhân khúc xạ và sức căng lưới tinh thể thay đổi , điều này ảnh hưởng tới tính chuyển động Kết quả làm thay đổi điện trở hay máy đo trở Mức độ dày đặc của màng mỏng như hình đáng của con trở , nó được quyết định bởi dải đo của áp suất

Sự tiến bộ của bộ chuyển đổi áp suất /điện áp có nhưng ưu điểm sau :

Tham số ra của bộ đo trở phổ biến phụ thuộc vào nhiệt độ và đòi hỏi thiết bị bù nếu nếu

nó được sử dụng cho dải nhiệt độ rộng hơn Tuy nhiên với sự cố của của biến tử thông minh và MEMS nhiệt độ sai có thể được bù nếu sử dụng sensor nhiệt độ cài sẵn

Hầu hết các bộ chuyển đổi áp suất MEMS tự động ngày nay đươc tạo ra cho thị trường bao gồm 4 cấu nồI trổ Wheatstone được chế tạo trong khuôn đá đơn sử dụng phần lớn công nghệ khắc axít Yếu tố đo trở được tích hợp cố định trong sensor và được xác định

vị trí theo chiều dài chu vi màng áp suất hợp lý tạI điểm thích hợp của sức căng số đo Thiết kế bây giờ có thể chọn hai kiểu kiến trúc sensor : sensor xử lý tín hiệu số và sensor xử lý tín hiệu tương tự Kiểu sensor số được đặc trưng bởi bù số hoàn toàn lỗi theo xắp xếp của hệ thống ,và dáng hình học rất tốt tín hiệu được pha trộn theo công nghệ CMOS IC có thể hợp nhất xử lý số tinh vi (DSP) bên trong sensor bù IC Công nhệ DSP được thiết kế đặc biệt từ việc tính toán bù , cho phép lối ra sensor có tính chính xác như vốn có của bộ chuyển đổi áp suất /đIện áp

Như đã xem xét , quá trình xử lý trong CMOS và vi điều khiển , công nghệ DSP trở lên tiến bộ hơn nữa và độ tích hợp cao , dần trở thành phổ biến Những cuộc tranh cãi tiếp tục như vào vùng chíp và ở đầu trên của thiết kế vi xử lý chuẩn … được sử dụng cho mục đích cạnh tranh với sự mềm dẻo và linh hoạt (nhưng khích thước nhỏ hơn và giá cả thấp hơn )của sự thiết kế DSP có thẻ làm theo yêu cầu của khách hàng , tiến tới thưch hiện những chức năng đặc biêt của sensor

Sensor áp suất tich hợp của hãng Motorola (sensor áp suất Monolithic) sử dụng mộ vi

sử lý tín hiệu số tuỳ chỉnh và bộ nhớ cố định theo sự điều chỉnh và sự bù nhiệt một phần của sensor áp suất cho độ rộng của những ứng dụng tự động

Sự hoạt động của nhưng linh kiện điều lệnh (signal -conditiong ) có thể lập trình đuợc ở trong lĩnh vưc số sử dụng thuật toán điều chỉnh bậc cao ở xa Sensor Monolithic cung cấp để làm tăng những tính năng tiêu biểu bổ xung trong một chip (hoặc không gì cả ) với giảI pháp điều lệnh tín hiệu tương tự truyền thống ở đó sử dung laser hay sự sắp xếp gọn gàng đIửn tử Một cách riêng biệt sự phát triển giao diện truyền thông số cho phép điềuu chỉnh các modul sensor riêng lẻ sau khi các modul đã được lắp giáp và kết vỏ đầy đủ Quá trình sử lý post-trim đuợc khử (rút ra ) và sự chế tạo , các modul theo yêu cầu của khách hàng có thể đựơc thực hiện như một phần sụ tích phân của kiểm sự kết thúc được kiểm tra của luồng sản suất IC bao gồm một sensor áp suất ở đó đồng sử lý trong một kính hiển vi, báo hiệu , sự chế tạo CMOS rất mỏng pha -trộn từng bước và có thể co dãn tới một trạng thái khác nhau của các ứng dụng cảm ứng áp suất tự động

Bây giờ cho phép chúng ta một vài trạng thái của tàikhéo léo và dùng làm mẫu trong công nghiệp của sensor áp suất và bộ chuển đổi hiện đại Sự chú ý chủ yếu đã đem lại cho sự tạo thành sensor áp suất với tần số lối ra :

+)Đầu tiên chúng có thể làm nền tảng của sư dụng của bộ biến đổi điên áp ra tần số VFC( và có độ chính xác trên một phần trăm 1% cho hiệu quả ở dải tần sốtừ 0 -2 khz ở trong dải địện áp từ 0 -40Mpa

+) Thứ hai , đã được xây dựng trong sử dung của cái đo cộng hưởng ( cái cộng hưởng

là dụng cụ để tạo ra sự cộng hưởng ) Sự kết nối của các thiết bị đo tới bộ tự dao động mạch máy thu là tín hiệu tần số tỷ lệ với sự tác dụng Mối quan hệ gưĩa áp suất đo P và tín hiệu tần số lối ra f được biểu diễn rõ ràng qua biểu thức sau :

Seff là vùng ảnh hưởng của màng

Sensor áp suất Silíc dựa căn bản trên cơ sở phần lớn trên công nghệ vi cơ khí và VFC dựa trên cơ sở công nghệ CMOS Nó có dải áp suât đo được là từ 0 - 40 Kpa , dải tần số lối ra la 280 -380 KHZ và sai số chủ yếu khoảng +- 0,7 (

Công ty Kulite tạo ra bộ chuyển đổi áp suất tần số lối ra ETF-1-1000., sensor cung cấp một tín hiệu ra có thể giao tiếp trực tiếp tới một lối ra số.Bộ chuyển đổi sử dụngmột yếu

tố bán dẫn đo tính trở với những ưu việt sau: độ tin cậy ,sự lặp lạI,đọ chính xác , giảI áp suất là 1,7 -350 par , tần số lối ra 5-20 Khz , tổng số lỗi dải băng là +- 0,2( Một ví dụ khác là bộ chuyển đổi áp suất VT 1202/1202 từ Chezra (Ukraine ) với dải tần số ra từ 15-22Khz và lỗi chuẩn+- 0,25( và độ phù hợp +- 0,15(

Geophysical Research Corporation đã công bố bộ chuyển đổi áp suất Amerada Quat

Sự làm việc của bộ chuyển đổi này như sensor thạch anh kết tinh đáp lại sức ép tạo ra bởi áp suất Sự tương ứng này xuất phát từ sự dịch chuyển tần số tương ứng tạo bởi nguyền cung cấp áp suất Sự phụ thuộc vào áp suất của sensor ở mức độ nhỏ là không tuyến tính nhưng rõ ràng trong khi sự kiểm tra cỡ trước khi chia độ (ống đo nhiệt ) là chính xác bởi việc sử dụng hàm đa thức bậc ba Trong phép bổ sung , thạch anh kết tinh cho là hoàn toàn đàn hồi hoàn hảo mà đóng ghóp vào sự lặp lai xuất sắc là đặc trưng của công nghệ Hai phép cộng Sensor được sử dụng ,thư nhất là đo nhiệt độ , thứ hai như là tham chiếu tín hiệu ổn định Phép đo nhiệt độ được sử dụng cho sự bù nhiệt của áp suất tinh thể trong khi tín hiệu tham chiếu được sử dung như căn cứ điều chỉnh cố định của

bộ đếm tần số Dải áp suất là 10000 psia , độ chính xác là +- 0,02 (FS

Độ chính xác cao (khoảng 0,01() của bộ chuyển đổi áp suất quang đã được phát triển bởi ALTHEN GmbH bằng việc cung cấp công nghệ quang dựa trên nền tảng bộ cộng hưởng sensor

Xa hơn sự phát triển của công nghệ vi điện tử và sensor thông minh có sự tăng lên của

độ chính xác cao ( khoảng 0,01 () lối ra số của sensor áp suất và bộ chuyển đổi

2.1 GiớI thiệu chung :

Kỹ thuật và quá trình sản xuất là nguồn gốc ban đầu của dữ liệu cho hệ thống sensor nhiều kênh Dữ liệu thu được bởi sự đIũu khiển như quá trình xử lý ngẫu nhiên của sự biến đổi tham số

Hệ thống thu dữ liệu nhièu kênh có ý định cho sự biến đổi của tham số ban đầu của quá trình xử lý và kết quả (tín hiệu lối ra từ một hay một vàI sensor hay bộ chuyển đổi ) thành tín hiệu số tương đương Sự thích hợp cho quá trnhf sử lý xa hơn , sự chuyển đổi và lối vào bên trong trung tâm máy tính mà nó mà nó đIũu khiển kênh thu dữ liệu và dạng dữ liệu ở trên màn hình

Phương thức thu được dữ liệu phụ thuộc vào nhiệm vụ tìm ra lời giảI của sự đIũu kkhiển và sự đo đạc , sự tác dụng trực tiếp của bộ chuyển đổi và chức năng của hệ thống thu dữ liệu

Một hệ đo đạc và đIũu khiển hệ thống sensor có thể đặt ở nhiều cách khác nhau.Mọt trung tâm máy tính được lối với một nối vào của sensor và lối ra thiết bị phát dao động.ở trong hệ thống ,nhiều sensor trong lĩnh vực tần số-thời gian cảm biến thông tin qua quá trình sử lý liên quan đến sự đo đạc

Có hai phương thức thu dữ liệu truyền thống đã được sử dụng rộng rãI trong hệ thống đIũu khiển và đo đạc hiện đạI , đó là :

+) phương thức phân kênh theo thời gian, dựa trên cỏ sở bộ ghép kênh sensor

+)phương thức sử dụng phân kênh theo không gian ,dựa trên cỏ sở thu được dữ liệu đồng thời từ tất cả sensor

2.2> phương thức thu dữ liệu vợi sự phân kênh theo thời gian :

Hầu hết tần số được sủ dung cho cấu hình hệ thống thu dữ liệu với hệ thống phân kênh theo thời gian được chỉ ra ở hình sau:

ở trong trường hợp này ,lối ra tần số của các sensor là f1,f2,…fn được tới bộ biến đổi tần

số sang mã F/# với sự trợ giúp của sự hơp kênh (MX) , bộ hợp kênh số được điều khiển bởi vi điều khiển (k Sự biến đổi tần số sang mã đã biến đổi tần số fx thành mã nhị phân ,

ví dụ như phương thức đếm trực tiếp chu kỳ Tx=1/fx trong khoảng gian lượng tử Tq hoặc theo phương thức đếm gián tiếp số xung của tần số tham chiếu cao fo trong mộtchu kỳ

Tx hay n chu kỳ nTx.ở trong hệ thống thu dũ liệu hiện đạI cho các sesor lối ra là tần số ,

bộ biến đổi tần số thành mã có thể thực hiện trực tiếp bởi vi điều khiển mà không phảI thêm phần cứng

Sau khi biến đổi từ tần số sang mã ,, mã nhị phân qua vi điều khiển và thành một dãy

dữ liệu Nó cần thiết , quá trình xử lý tín hiệu có thể cộng thêm như : Sự tuyến tính , sự hợp nhất … có thể thực hiện được trong vi điều khiển hoặc DSP Dữ liệu thu được tới máy tính ( qua hệ thống BUS ,cổng ghép nối I/O , hay sự trợ giúp của bộ nhớ truy cập (DMA)) cho quá trình sử lý , hiển thị hay đẻ đIũu khiển hệ thống

Sensor có thể đươc hỏi tuần hoàn đồng bộ như là phần mềm điều khiển đồng bộ -vi điều khiển sẽ chọn các sensor cần thiết tuỳ thuộc vào từng công việc ở trong hệ thống thu của dữ liệu với bộ biến đổi tần số tại chu kỳ tuần hoàn với thời gian không đổi ở trong chu kỳ thời gian hỏi vòng (o có thể tính toán được theo biểu thức cho phep sau :

τo= n(Tq +τ1 +τ2)

Trong đó :

-Tq là thời gian lượng tử háo trong bộ biến đổi tàn sang mã

-τ1 là thời gian trễ giữa sự kết thúc của bộ biến đổi trước sensor và lệnh tới hỏi sensor tiếp theo

τ2 là thời gian trễ của bộ biến đổi tần số bắt đầu sau khi mà sensor được kết nối

-n là số sensor của hệ thống thu dữ liệu nhiều kênh

Các giá trị khỏng thời gian và độ trễ đuợc quyết định bởi phuơng thức đo các thông tin của tham số và thiết bị điện tử sử dụng Tại một thời điểm giá trị của cac tham số Tq ,(delay1, (delay2 và chu kỳ vòng thời gian (o có thể thay đổi bởi sự thay đổi của giá trị n

DQA board sensor N

Hình 3.1 Hệ thồng thu dữ liệu sự phân kênh theo thời gian

Trong đó hệ gồm có N Sensor , bộ hợp kênh MUX và vi điều khiển µK

Thiết bị nhiều kênh cho sự thu dữ liệu dụă trên cơ sở phương thức hỏi vòng nhanh trong một chu kỳ ra của sensor được chỉ ra ở hình vẽ sau :

Hình vẽ 3.2 hệ thống thu dữ liệu dụă trên cở sở hỏi vòng nhanh trong một chu kỳ

Thiết bị này bao gồm một vài triger R-S (theo số kênh của hệ thống ) ,với nhiều cổng AND cho phép làm việc đơn giản với một công tắc tần số ,và một bộ mã hoá CD cho boọ biến đổi của vị trí xung lối vào thành mã nhị phân của kênh lối ra

Một phương thức đơn giản cho sự hỏi vòng của sensor đã được sủ dụng trong thiết kế

bộ chọn tần số nhiều kênh số Tính năng của bộ chon tần số giảm dần theo tần số hỏi của kênh và lớn nhất tần số lối vào mà nó cho phép tái tạo lỗi thuộc động lực học của sự đo đạc trong kênh này gây ra

Phương thức thu dữ liệu gốc của sự biến đổi tần số sang mã nhiều kênh có thể tái tạo lại thông tin mất trong hệ thống thu dữ liệu nhiều kênh bằng cách phân chia thời gian hỏi vòng của tần số lối ra của sensor Phương thức này bao gồm một bộ chọn kênh sso với với số xung gần nhất ở trong pha của bộ biến đổi tần số , bộ chia số kênh có thể thực hiện bằng bộ đếm , sự lưu trữ kênh trong bộ nhớ, sự kết nối của kênh chọn với lối vào bộ đếm

và bộ biến đổi tần số sang mã

3.3 Phương thức thu dư liệu bằng phân kênh theo không gian

Hầu hết các tần số sủ dụng cho cấu hình hệ thống thu dữ liệu với ph ương thức phân kênh theo không gian được trình bày như hình vẽ :

Hình 3.3

Tuy nhiên ,sự tiến bộ quan trọng của là sự táI tạo lạI đựoc thông tin đã mất của phép

đo, nó có thể thực hiện được bằng việc cộng thêm phần cứng và giá cả.Tất cả sự hạn chế

số kênh trong hệ thống thu dữ liệu hoặc cần thiết có thể phân chia một số phần của bộ biến đổi , mà nó có thể lệnh cho toàn bộ bộ biến đổi tần số sang mã

Một trong những giải pháp được sử dụng là một thiết bị biến đổi tần số nhiều kênh với , đồng thời với phần cứng thu nhỏ và quá trình dô tần số của các sensor là song song , vì thế đọ chính xác tăng lên mà không phảI tăng thời gian đo ,sơ đò mạch của thiết bị biến đổi tần số đồng thời cho các tần số f1, f2,…fn được chỉ ra trên hình vẽ sau :

Mỗi một kênh bao gồm một bộ chia tần số ,một công tắc và một thanh ghi đệm.Bộ đém của tần số tham chiếu

fo và thanh ghi lệnh chotất cả kênh đo

Tần số đã được biến đổi có thể đuợc tính theo biểu thức sau :

f1= N1.K1.fo/(No.Ko-n1+n2)

ở đây :

fo là tần số tham chiếu

f1 là tần số lối vào

N1 là dung lượng bộ chia

No là dung lượng bộ đếm tấn số tham chiếu

K1 là số tràn của bộ chia

Ko là số tràn của bộ đếm tần số tham chiếu

-n1 là số được ghi vào bộ đếm tần số tham chiếu tạI luc bắt đầu chu kỳ đo

-n2 là số được ghi vào bbọ đếm tần số tham chiếu tạI lúc kết thúc chu kỳ đo

3.4 Cầu trúc sensor thông minh và hệ thồng thu dữ liệu :

Phụ thuộc vào cấu trúc các sensor , sơ đồ cấu ttrúc của hệ thu dữ liệu có các cách có thể khác nhau ,sau đây chúng ta chỉ ra một số sơ đồ cụ thể dưới đây

-Cấu trúc sensor thông được chỉ ra như sau lốI ra tương tự chủa sensor S là lốI vào đầu tiên của bộ khuyếch đạI và được hiệu chỉnh giá trị offset và độ tuyến tính ,sau đó qua bộ biến đôit thế sang tần số Qua đó tín hiệu trong lĩnh vực tần số -thờI gian được biến đổI thành mã Dạng tín hiệu của bộ biến đổI thế thành mã được truyền tớI BUS hệ thống và BUS điều khiển

Sensor thông minh Correction

Hình 3.5 :Cầu trúc của sensor thông minh vơisự hiệu chỉnh trong lĩnh vực tương tự và

xa hơn có thể biến thành tín hiệu lĩnh vực tần số -thờI gian

- Cầu trúc của hệ gốm nhiều sensor

Sensor thông minh

Sn

Máy tính

hình 3.6: Cầu trúc nhiều sensor thông minh

Trong đó :

S1, S2,… Sn là các sensor lốI vào

(1), (2),… (n) Là các bộ chuẩn hoá tín hiệu

MUX là bộ hợp kênh

F/# là bộ biến đổI tần thành mã

Bộ hợp kênh dùng để hợp tầt cả các tín hiệu sau khi đi qua phần cảm biến thành một tín hiệu , sau đó qua bộ biến đổI tần số thành mã , và tạI ở đây tín hiệu truyền tớI các BUS -Cấu trúc đơn giản đó là hệ thốnh một kênh , sensor được lốI qua bộ bộ chuyển đổI tần thành mã và tớI vi điều khiển , có cấu truc như sau

Sensor thông minh

Máy tính

µK F/#

chuẩn hoá tín hiệu

sensor

Chương 3 phương pháp biến đổi tần số thành mã

3.1 GiớI thiệu chung :

Một trong những quan tâm chính trong lĩnh vực tần số-thờigian của sensor thông minh là bộ biến đổi tần số(chu kỳ) thành mã.Bộ bién đổi này ảnh hưởng trực tiếp tới tính chất của hệ thống đo lường , như là độ chính xác , sụ thay đổi của thời gian cung như sự tiêu thụ công suất.Mặc dù việc tần số có thể được biến đổi thành dạng mã số chính

xáchơn ở trong sự so sánh với thông tham số khác của tín hiệu ,trong thực tiễn nó không nhiệm vụ không tầm thường NgoàI ra rất nhiều khác hàng và người sản xuất sensor không thành thạo trong lĩnh vực tần số -thời gian.Để xem xét cẩn thận phương thức biến đổi rời rạc của bộ biến đổi tần sang mã phổ biến nhất và đem lạI cho chúng ta phép phân tích của hiệu suất đo lường , sự biến đổi dảI tần , sự cần thiết cho hoạt động với mục tiêu chọn phương thức biến đổi tốt nhất

Sự hình thành và phát triển của những triển vọng bắt đầu sau khi công bố năm 1947 về sự sáng chế trong đIửn tử ADC với thời gian trễ nhỏ đã được đưa ra bởi Filipov và

Nêgnlized năm 1941.Đây là bpọ biến đổi dụă trên cơ sở phương thức đếm rời rạc xung chuẩn hoá của tần số tham chiếu (Patent 68785 ,USSR)

3.2 Các phương pháp biến đổI tần số thành mã :

Ngày nay , có rất nhiều sáng chế về các bộ biến đổi khác nhau và phương thức đo của tham số tần số-thời gian của tín hiệu điện tử

Tất nhiên , trong các lĩnh vực khác nhau không thể giới hạn các phương pháp biến đổi tần sồ thành mã

Sau đây là một số phương pháp biến đổi chủ yếu nhất :

(1)Phương pháp đếm trực tiếp - đo tần số

(2) Phương pháp đếm gián tiếp -đo chu kỳa

(3)Phương pháp đếm kết hợp

(4)Phương pháp biến đổi Fỏuiẻ rời rạc -DFT

(5)Phương pháp biến đổi độ dịch pha thành mã

Chọn công nghệ biến đổi nào là phụ thuộc vào sự phân giải mong muốn và tốc độ dữ liệu thu được

+)Với hệ thống cần tốc độ dữ liệu thu được lớn thì ta dùng công nghệ đo chu kỳ (ký thuật đếm gián tiếp ) có thể được sử dụng

+)Với độ phân giảI và độ chính xác cao phảI sử dụng kỹ thuật đo tần số ( đo tần số trực tiếp) , kỹ thuật tích hợp

Sự so sánh đơn giản của phương thức đém trực tiếp cũng như phương thức đếm gián

tiếp với các phương pháp khác là hiệu suất cao và tính chất chung có đóng ghóp vào sự

phổ biến của chúng Chúng trở nên cơ bản ,truyền thống

DSP dưạ trên cơ sở sự biến đổi tần số thành mã của một tín hiệu hàI hoà

trong cơ sở phân tích phổ rời rạc đã được phát triển cho

những tiến bộ của vi điện tử Ngày nay, ứng dụng của chúng là đủ kinh tế ,xa hơn chíp vi

đIũu khiển DSP rẻ hơn được sử dụng trong sensor thông minh

Sự phát triển xa hơn của công nghệ vi điện tử ,vi hệ thống sensor thông minh và sự tiến bộ mới của phương thức chuyển đổi tần số thành mã như sau:

+)Độ chính xác tăng , tốc độ và phương thức đo tin tưởng tuyệt đối

+)sự mở rộng chức năng và dảI tần biến đổi

+)Tự động hoàn thành sự đo đạc ,đIũu khiển ,quá trình xử lý số,

tự thích nghi ,tự chuẩn đoán

+)Mạch đơn giản hay chíp nhỏ

+) Giá cả giảm , kích thước, công suất tiêu thụ

3.3 Phương pháp biến đổI tần số thành mã dùng phép biến đổI Fourier rờI rạc:

Sau đây ta xét phương thức bộ chuyển đổi tần số sang mã dụă trên cơ sở biến đổi

Fourier rời rạc

Mặc dù hầu hết các phương thức của bộ chuyển đổi tần thành mã không liên quan đến

phương pháp biến đổi rời rạc ,nhưng DSP duă trên cơ sở phân tích phổ rời rạc, nó ứng

dụng ngày nay là mang lạI kinh tế Xa hơn nũă vi đIũu khiển DSP có thể sử dụng được

trong sensor thông minh

Sơ đồ khối của thiết bị sử dụng trong phương thức này được chỉ ra trên hình sau:

Các thiết bị bao gồm hai bộ biến đổi tương tự -số(ADC) , hai khối biến đổi Fourier rời

rạc (DFT) , hai khoíi cho việc tìm ssố linh kiện quang phổ lớn nhất Scmax và khối tính

toán logic (Alu) cho việctính toán của chuyển đổi tần số

Phương thức này có thể thực hiện thành công ở trong vi điều khiển DSP , bao gồm hai bộ

ADC hay một bộ ADC với nhiều kênh lối vào , ví dụ như TMS320c24x

Vi đIều khiển DSP gồm hai bộ ADC 10bít và ngoài ra nó còn được thiết lập các thiết bị ngoạI vi có hữu ích ở trong sensor như : thiết bị bấm giờ ,bộ điều chế độ rộng xung PWM và hộp chứa các modul…

Phương pháp biến đổi tần số -mã dụă theo biến đôir Fourier rời rạc với lối vào số hoá hàon toàn bởi kỹ thuật vẽ tạI N-1 và N đIúm yếu tố quyết định đến số linh kiện phân tích phổ lớn nhất vơI sự guíp đỡ của biến đoỏi Fourier rời rạc và tính toán sử dụng bộ biến đổi tần số

Các thiết bị cho phep làm việc :một tín hiệu nối vào được nhận diện (miêu tả ) ở trong bộ biến đổi ADC và theo đó ta thu đươc là các số rời rạc N và N-1 Các số rời rạc này được đuă vào hai khối DFT1 và DFT2 , sau đó đuợc tính toán bởi biến đổi Fourier , phổ rời rạc được tạo ra Số linh kiện phổ lớn nhất được quyết định ở trong khối SCmax1 và Scmax2 Rồi cuối cung khối ALU tính toán tần số

Biểu thức xác định tần số trong mỗi thiết bị phổ có thể cho như sau:

fx=(K1 +a1 ).∆f và fx =K2 +a2(N-1) ∆f (1) Qua đó liên hệ vớI tần sồ F= fx/∆f

fx= ∆f.( K2.N -K1.(N-1)) nếu K2=>K1

fx= (f (K2.N -K1.(N-1) + N.(N-1) nếu K2<=K1 với ∆f=1/T là độ phân giải phổ

T là chu kỳ tín hiệu lối vào

N là số điểm của biên đổi Fourier rời rạc

Để thu tín hiệu lối vào với tần số fx, phổ của tín hiệu lố vào như hình vẽ :

S(t)

t a)

t

Hình a: phổ của tín hiệu lốI vào

Sau đó số hoá tín hiệu lối vào và thu được các điểm rời rạc của phổ :

hình vẽ (c)

S(k) c)

k

0 1 N-1 2(N-1) I2(n-1)+l2(n-1) I(N-1).

Để cho phép chúng ta thực hiện được sự phân tích phổ tiêu chuẩn phản ánh mối liên hệ với giả tần mở rộng của tần số không khả thi xác định :

n=Dy/Dn

với n là sự liên hệ dải tần

Dn ,Dy là dải tần của tần số không khả thi xác định cho thiết bị mới và cũ tương ứng Dn=n.∆f , Dy =N.(N-1)

N=Dy/Dn =N-1

Phương pháp này cho phep xác định dảI tần không khả thi được bở rộng ,nó có thể đạt được sự cần thiết tỷ số giũă dảI tần và sự miêu tả cần thiết của tần số quy định

Chương 4 Qúa trình xử lý tín hiệu trong sensor thông minh

cận số

4.1 GiớI thiệu chung :

Công nghệ xử lý tín hiệu số đã bắt đầu được sử dụng trong một dảI rộng của công nghệ

và người tiêu dùng tạo ra sản phẩm có lợi cho chúng ta từ độ chính xác và độ tin tưởng Theo Texas thiết bị số xử lý tín hiệu được định nghĩa " khoa học có liên quan với sự miêu tả của tín hiệu bởi sự nối tiếp của các số và quá trình xử lý sảy ra sau của số tiếp lối"

Sự cải tiến của quá trình xử lý của tín hiệu có những tiến bộ rõ ràng

+) Nó có thể thực hiện nhiều công việc với giá rẻ Điều đó có thể có thể có cả sự khó khăn khác hay không thể làm được trong lĩnh vực tương tự, ví dụ như biến đổi Founei +) Hệ thống số không nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường và dung sai của linh kiện,

có thể chắc chắn dự đoán được và lặp lại được

+) Các chức năng có thể lập trình lại được

Trước sự xuất hiện của vi điều khiển có nhớ, vi xử lý DSP hoạt động thật sự tin tưởng ở biểu cận số thời gian với tần số - xung tín hiệu Bởi vì một sensor thông minh sử dụng một vi điều khiển hoặc một vi xử lý DSP ở trong cấu trúc của nó, nó thích hợp cho sự hoạt động hiệu quả trong lĩnh vực số Tuy nhiên trước kia trong một khoảng thời gian ứng dụng tới hạn cũng như trong điều khiển tự động hệ thống xung- tần số chuyển đổi chính xác với xung- tần số tín hiệu vẫn được sử dụng Chúng ta quan tâm tới một vàI chuyển đổi đặc biệt: Tần số (chu kỳ) thành viễn cũng như tới qúa trình xử lý tín hiệu sử dụng cho sensor, sự cải tiến chính xác cho sensor (lượng tử và táI tạo) và tăng tính ổn định của sensor

Các toán tử trong xử lý tín hiệu của sensor thông minh:

4.2 Toán tử cộng và toán toán tử trừ :

Thường trong quá trình xử lý tín hiệu tần số nó là cần thiết trừ một tần số với một tần

số khác hoặc cộng hai hay nhiều tần số Tại ban đầu thông tin đến vào trong bộ cộng bằng dãy nối tiếp của các xung với tần số Fi (t), tỷ lệ với thông số tức thời x(t), phép tổng sẽ táI tạo lại dãy nối tiếp của xung với tần số F(t) dạng theo biểu thức cho phép F(t) = k (F1(t) + F2 (t))

ở đây F1 (t) = kx1(t), F2 (t) = kx2 (t) là thông tin ban đầu của dạng xung- tần số

k: Là số không đổi

Quay trở lạI,phép trừ táI tạo dãy xung nối tiếp với tần số F (t) theo biểu thức:

F(t) = k (F1(t) - F2 (t))

Từ hai biểu thức ban đầu cho tần số xác định cho phép phương thức của sự đếm phụ thuộc theo biểu thức của thuật toán chuyển đổi và quyết định của quyết định của phép tổng tuyệt đối của hai tần số có cấu trúc là:

4.3 Toán tử nhân và toán chia

Trong việc đo tần số, sự sử dụng của máy chia tần số giống như vai trò của bộ

khuyếch đại của tín hiệu điện tử ở trong phép đo biên độ Chúng tăng dần tính cảm biến của thiết bị đo và mở rộng dải tần đo cho thông số nhỏ hơn Chúng có thể cải tiến bộ biến đổi tần số thành mã đồng thời ở trong một vài sự điều khiển Đầu tiên ở tạI một tốc độ đã cho chúng cho phép tái tạo lại sai số lượng tử Thứ hai, bằng việc căn cứ vào sai số lượng tử nó có thể tái tạo thời gian của phép đo, do đó sử dụng thiết bị đo đIũu khiển sự thay đổi các thông số chậm hơn hoặc táI tạo lại lỗi thuộc động lực bởi sự đo của một tham số nhanh chóng Cuối cùng, bộ nhiên tần số có thể được sử dụng cho nhiều tần số hợp nhất, cho phép đo giấy thiết bị đã được sử dụng với sensor cho lối ra tần số khác nhau Chúng ta xem xét chi tiết như sau:

Mặc dù thực tế nhiều bộ nhân tần số đã biết và được áp dụng trong radio và hệ thống

đo lường (bằng pha và đo thời gian) trong một thời gian dàI , sự xuất hiện của công nghệ

đo tần số với nhu cầu đòi hỏi, đặc biệt tới bộ nhân đã cho kết quả không chỉ trong sự tạo

ra bộ nhân mới, mà ngoài ra còn tạo ra sự hiểu biết về bộ nhân

Bộ nhân tần số là bộ biến đổi của lối vào dao động điện với tần số fxi thành lối ra dao động với tần số trung bình

fx out = km fxi

ở đây km là thừa số nhân miêu tả một số nguyên (xong một số trường hợp không đúng với phân số) Do đó tần số trung bình của một tín hiệu là qua bởi tín hiệu tại mức chính xác (Ví sụ như zero) thành bên cạnh trong khi một đơn vị thời gian

Giải tần làm việc của bộ nhân hoặc một băng tần là đặc trưng bởi mối quan hệ của tần số lớn nhất với tần số nhỏ nhất

V= fx1max /fximin

Ngoài ra nó là logorith cơ sở 2 log2D (giải tần ở trong octaves) hoặc logorith cơ sở 10 logD (giảI tần trong decades) với tín hiệu tần số lối vào ở bên ngoài giảI làm việc của bộ nhân, log D không thể thay đổi hệ số nhân của bộ nhân

Sự mở đầu của bộ nhân tần số là một biện pháp có hiệu quả của sự tăng thời gian của

bộ biến đổi cho chậm và tần số thấp hơn

Tín hiệu của tần số ra của bộ nhân gấp km lần tần số lối vào Sau đó tần số đã được nhân phải được biến thành một dạng mã Do đó bằng sai sốlượng tử đã cho, thời gain lượng tử Tg có thể được táI tạo lạI ở dạng gấp km lần, khi tổng số tham số biến đổi chậm có thể được đo với sự chợ giúp của một trong nhiều kênh thu dữ liệu, bằng sự đo nhanh sự biến đổi tham số bởi động lực học,bởi cung cấp sai số lượng tử sẽ phảI gảim km2 Bộ nhân tần số sử dụng thời gian lượng tử Tg đã cho phép táI tạo sai số lượng tử giảm km lần

Khía cạnh bề ngoài của bộ nhân tần số là hệ số nhân tốc độ và dải tần số Bộ nhân tần

số sử dụng ở trong bộ biến đổi tần số thành mã, nên cung cấphệ số nhân lớn nhất, tốc độ cao nhất và một dải tần làm việc rộng Những đòi hỏi này là không mâu thuẫn nhau Thật vậy, khi km tăng thường đi theo là dải tần hẹp, ngược lại khi mở rộng dải tần số điều khiển tốc độ giảm

Bộ nhân tần số với dạng xung của tín hiệu lối vào và lối ra có thể thu được rất to lớn Nừu dạng của tín hiệu lối vào khác dạng của phép cộng có thể được mang ra ngoài Tuy nhiên bởi vì sự giao thoa của nhiều nhân thời gian của dạng xung, chu kỳ được nhân mở rộng lối vào xung với một vàI lỗi

Nếu tín hiệu sensor có dạng răng cưa, tổng số xung được định dạng đặt tại một vàI mức bởi điện áp vào bao gồm một đường dốc điện áp răng cưa và một mức dao động là hằng số tạo lên bộ nhân không phù hợp cho một dải tần số làm việc rộng bởi vì các xung sắp xếp ở dạng thời gian trở nên đồng dạng nhau Bởi bộ chia tần số với giá trừ nhỏ không đáng kể phảI thay đổi biện pháp,biên độ của xung răng cưa Ngoài ra nó có thể mất một phần xung lối ra ở dải tần số cao

Sử dụng xung tam giác đối xứng là tín hiệu lối vào, bộ nhân có thể thực hiện được bởi lặp lại, sự đIũu chỉnh đầy đủ sóng làm cho sinh cấu thành linh kiện có thể trừ được từ tín hiệu lối vào, sau đó điều khiển hoàn toàn sóng và được mang ra ngoài Cuối cùng chúng

ta có đIửn tam giác nhưng với hai tần số linh kiện phải bị trừ lại tử một tín hiệu và chỉnh toàn bộ dạng sóng có thể thực hiện được Bộ phận không đòi hỏi và tác động của các yếu

tố theo lý thuyết có thể có một thừa số nhân rộng hơn cho một dảI tần số bởi biên độ không đổi của tín hiệu lối vào

Nếu dạng tín hiệu lối vào khác dạng xung tam giác đối xứng nó cần thiết phải tốn dạng tín hiệu mở đầu của tần số được nhân

Với sóng sin ta thực hiện lối vàobộ nhân với mã không gian với sự trợ giúp của chuyển đổi tín hiệu không tuyến tính là hầu hết thường xuyên sử dụng

(Vm cosωt)2 = ½ Vm2 cos 2ωt + ½ Vm2

2 2

(Vm cosωt)2 = ¾V3 cos 3ωt + ¾Vm2+cos(t

4> toán tử tích phân và đạo hàm

Phép lấy vi phân và tích phân thường được sử dụng ở trong hệ thống đIũu khiển tự động Phép lấy vi phân là của một thao tác khó khăn nhất trong trường hợp thông thường,nó có thể cho phép viết theo hai cách sau:

Bảng 1 Sự phụ thuộc của thừa số thêm vào tần số lối vào

ở trong trường hợp lý tưởng toán hạng đạo hàm của một vài hàm theo thời gian có thể viết theo tỷ lệ sau:

F(t) ideal = lim F1 (t+ ∆t) – F1(t) = d F1(t)

∆t→0 ∆t dt

Với thông tin tiếp theo được miêu tả ở dạng xung - tần số, yêu cầu (t tới zero Tuy nhiên (t không tới zerô nhưng tới một số cố định như (T, nhiều số nhỏ hơn so sánh với chu kỳ

Tx Thay vì số vô cùng nhỏ dF1(t) nó có thể sử dụng số nhỏ, nhưng cuối cùng số gia hàm

số (F1(t) trong trường hợp này theo tỷ lệ sau:

∆τ dt

Theo đó tín hiệu xung tần số có thể nói chỉ xấp xỉ vi phân của hàm số theo thời gian

Vì vậy độ chính xác của phép tính vi phân sẽ cao hơn nếu cho phép bất đẳng thức sau:

N(T) = ∫0T F(t).dt

4.5 Giảm sai số lượng tử

Công việc của ta là làm sáng tỏ bộ biến đổi tần của bộ đếm ở trong bộ biến đổi đếm số xung lối vảo trong khoảng thời gian Ti (thời gian lượng tử hoá) Nếu tần số của xung lối vào là fx, số M bằng tích fx.Ti sẽ được nhớ trong bộ đếm đo được chỉ ra ở trên hình vẽ :

Hình a: xác định sai số lượng tử cho bộ biến đổI tần số ra mã với ∏-phaped

Nó có thể được xem như thành phần một chiều dc (giá trị trung bình ) xác định cho dãy xung

Chúng ta xem xét số xung lối vào bộ đếm của bộ biến đổi tần số sang mã có khoảng thời gian diễn gảI nhỏ hơn nhiếu chu kỳ , có thể xấp xỉ δ-xung :

ở trong ví dụ hình (a) , fx.Ti tạo ra 16 xung ( sai số lượng tử tuyệt đối là - 0,7 ) hoặc là

17 xung (sai số lượng tử la- + 0.3) với lối vào bộ đềm

Sai số lượng tử gây ra bởi thời gian trễ (o và (1 ở trong hình (a) giữa dạng sóng và xung tiếp theo gần nhất của day (x(t).Chúng ta chỉ xem xét sai số lượng tử có quan hệ với các giá trị (o ,(1 như thế nào Bộ biến đổi tần số sang mã trong trường hợp này có thể đưa ra như là sự xá định số chu kỳ Tx trong khoảng thời gian Ti Số M trong bộ đếm là

số xung với sự giới hạn chu kỳ Tx trong thời gian trễ Ti , nó là số lớn hơn số chu kỳ nguyên Tx ở trong khoảng thời gian trễ , nóchỉ ra thời gian trễ như sau:

Ti=Tx.(M-1) +αo +(Tx-α1)

Như chỉ giá trị Tx.M là đem lại tới sự tính toán , sai số lượng tử tuyệt đối là biểu thức :

δ= αo - α1 Nói chung αo, α1 miêu tả được sự phân bổ thay đổi ngẫu nhiên độc lập , theo đó quy luật phân bổ đồng dạng với giá trị trung bình bằng tới Tx/2 và độ tán sắc bằng T2x/2 điều này đồng nghĩa với việc sai số lượng tử

δ = αO -α1 là một số zêro và độ tán săc δ2 = α2o -α21 bằng T2x