Bài giảng cảm biến và phần tử tự động.

Phần tử có thể là: phần tử cảm biến, phần tử khuếch đại, phần tử Role, phần tử ổn định,phần tử biến đổi, phần tử chấp hành… Phần tử có thể có một hoặc nhiều tín hiệu vào, nhiều tínhiệu ra.Chức năng: Điều khiển, điều chỉnh. Kiểm tra và tự động kiểm tra hệ thống. Dự báo hỏng hóc, bảo vệ hệ Phần tử có thể là: phần tử cảm biến, phần tử khuếch đại, phần tử Role, phần tử ổn định,phần tử biến đổi, phần tử chấp hành… Phần tử có thể có một hoặc nhiều tín hiệu vào, nhiều tínhiệu ra.Chức năng: Điều khiển, điều chỉnh. Kiểm tra và tự động kiểm tra hệ thống. Dự báo hỏng hóc, bảo vệ hệ

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ PHẦN TỬ TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

1.1 Khái quát chung

Hình 1.1 Phần tử tự động

Hình 1.2 Phần tử tự động nhiều tín hiệu vào/ra

Trong đó: x: tín hiệu vào

Phần tử có thể là: phần tử cảm biến, phần tử khuếch đại, phần tử Role, phần tử ổn định, phần tử biến đổi, phần tử chấp hành… Phần tử có thể có một hoặc nhiều tín hiệu vào, nhiều tín hiệu ra

Chức năng:

- Điều khiển, điều chỉnh

- Kiểm tra và tự động kiểm tra hệ thống

- Dự báo hỏng hóc, bảo vệ hệ

1.2 Phân loại các phần tử tự động

a Phân loại dựa vào chức năng

- Biến đổi với quan hệ Vào/Ra đơn trị ( phần tử cảm biến)

- Biến đổi Điện / Không điện và ngược lại

- Biến đổi tín hiệu theo trị số năng lượng ( bộ KĐ)

- Biến đổi tín hiệu Rời rạc/ Liên tục ( ADC/ DAC) và ngược lại

- Biến đổi dòng Một / Xoay chiều và ngược lại ( chỉnh lưu, nhạy pha, nghịch lưu ),

- Thực hiện các phép toán logic,

Trong đó:

k: là hệ số biến đổi; k phụ thuộc vào đặc tính vào ra của phần tử y = f(x)

Với các phần tử là tuyến tính thì k = const; với các phần tử là tuyến tính thì k là một hàm

số

1.3.2 Sai số

- Sai số là sự thay đổi của tín hiệu đầu ra khi tín hiệu đầu vào không đổi

+ Sai số tuyệt đối:

+ Sai số tương đối:

+ Sai số quy đổi:

1.3.3 Ngưỡng nhạy

- Ngưỡng nhạy là sự thay đổi giá trị tối thiểu của tín hiệu đầu vào mà không gây ra sự thay đổi của tín hiệu đầu ra

Hình 1.3 Ngưỡng nhạy

1.3.4 Phản hồi

Hình 1.4 Khâu phản hồi

- Tác dụng dùng để tăng cường tín hiệu ( hệ số khuếch đại ) hoặc tăng tính ổng định

- Với phần tử có phản hồi hàm truyền tĩnh được tính theo công thức :

1

1 21

tt

W k

1.4.1 Khâu Role hai trạng thái

Hình 1.5 Đặc tính khâu role hai trạng thái Tín hiệu ra:

m

yY Sgn x Trong đó: Sgn(u) là hàm tín hiệu ( hàm dấu ):

- Khâu hai trạng thái thường dùng để mô tả bộ điều khiển Role lý tưởng

- Nếu tín hiệu vào dao động xung quang điểm 0 thì tín hiệu ra sẽ nhảy bậc do vậy để khắc phụ người ta sử dụng khâu khuếch đại bão hòa

1.4.2 Khâu khuếch đại bão hoà

Phần tử có đặc tính dạng có vùng bão hoà thường gặp ở bộ điều chỉnh tốc độ động cơ có giới hạn tốc độ

( )

m

Y Sgn x neu x D y

Hình 1.6 Đặc tính khâu khuếch đại bão hoà

1.4.3 Khâu khuếch đại có vùng chết (dead band):

Đặc tính có vùng không nhạy, D gọi là ngưỡng của độ nhạy Phần tử này thường gặp trong đặc tính của máy phát tốc một chiều, mạch giữ điện áp có sự tham gia của diode

( )

0

K x D Sgn x neu x D y

1.4.4 Khâu rơ le ba trạng thái

Phần tử có đặc tính role, tín hiệu ra thay đổi đột biến: Công tắc tơ, Trigo Smith

( )

0

m

Y Sgn x neu x D y

1.4.5 Khâu Role hai trạng thái có trễ

Phần tử có đặc tính dạng khe hở như hình 1.9 thường gặp ở các phần tử có hiện tượng từ trễ :

( )

( )

m m

Hình 1.9 Đặc tính Role hai trạng thái có trễ

1.4.6 Khâu Role ba trạng thái có trễ

Hình 1.10 Đặc tính Role ba trạng thái có trễ

1.4.7 Khâu khuếch đại bão hòa có trễ

Hình 1.10 Đặc tính khâu khuếch đại bão hòa có trễ

1.5 Yêu cầu chung với các phần tử tự động

- An toàn cho người vân hành, sử dụng

- Có độ tin cậy cao, bền vững, hoạt động chính xác, ít hỏng hóc

- Có cấu trúc đơn giản; dễ bảo dưỡng, sửa chữa; dễ thay thế, lắp đặt; dễ phát hiện hư hỏng; Cấu trúc module, khối hoá

- Làm việc được trong mọi môi trường khắc nghiệt: Độ ẩm cao, nồng độ dầu, muối, hoá chất cao

CHƯƠNG 2 PHẦN TỬ ĐO VÀ CẢM BIẾN

2.1 Khái niệm và phân loại

Hình 2.1 Cấu trúc cảm biến Với:

 

Trong đó: (y) là đại lượng đầu ra, (x) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc

là đại lượng cần đo)

2.1.2 Phân loại

a Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng

Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích

- Biến đổi điện hóa…

b Phân loại theo dạng kích thích

e Phân loại theo thông số của mô hình thay thế

- Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

- Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi các thông số R, L, C tuyến tính hoặc phi tuyến

2.1.3 Đặc trưng của cảm biến

a Hàm truyền

Hàm Truyền là biểu thức mô tả quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm luỹ thừa hoặc hàm mũ

Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích:

 được gọi là độ nhạy của cảm biến

Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm cho độ nhạy của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:

- Giá trị của đại lượng cần đo x và tần số thay đổi của nó

c) Độ lớn của tín hiệu vào

Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép

Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến, ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel, bằng logarit của tỉ số công suất hoặc điện áp tín hiệu ra và tín hiệu vào:

- Sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:

x

- Trong đó: Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối)

- Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại:

+ Sai số hệ thống + Và sai số ngẫu nhiên

* Sai số hệ thống:

- Là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra

- Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:

+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng

+ Do đặc tính của bộ cảm biến

+ Do điều kiện và chế độ sử dụng

+ Do xử lý kết quả đo

* Sai số ngẫu nhiên:

- Là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định Ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó

- Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến

e) Độ tuyến tính:

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó độ nhạy (

b ) không phụ thuộc vào đại lượng đo

- Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm

biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này

- Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không đổi của độ nhạy tĩnh, tần số dao

động riêng quyết định hồi đáp, hệ số suy giảm không phụ thuộc vào kích thích

- Khi cảm biến không tuyến tính, ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín

hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá

f) Độ nhanh và thời gian hồi đáp

- Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên

- Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này

2.1.4 Nguyên lý chung để chế tạo cảm biến

Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được phân làm hai loại:

- Cảm biến tích cực

- Cảm biến thụ động

a Cảm biến tích cực

* Khái niệm:

- Cảm biến tích cực là loại cảm biến hoạt động như một máy phát, trong đó đáp ứng ( đầu

ra y ) thường là điện tích, điện áp hoặc dòng điện

* Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực:

- Cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó ( nhiệt, cơ hoặc bức xạ ) thành năng lượng điện

- Các hiệu ứng được ứng dụng để chế tạo cảm biến tích cực:

+ Hiệu ứng nhiệt điện

+ Hiệu ứng hỏa điện

+ Hiệu ứng áp điện

+ Hiệu ứng cảm ứng điện từ

+ Hiệu ứng quang điện

* Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực:

- Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số

chủ yếu nhạy với các đại lượng cần đo Gía trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu và tính chất điện của vật liệu như điện trở suất, độ từ thẩm, hằng số điện môi

2.2 Cảm biến tốc độ

2.2.1 Nguyên lý đo vận tốc

- Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của các loại máy điện Trong trường hợp truyền động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng được chuyển về đo tốc độ quay

- Để đo vận tốc góc thường ứng dụng các phương pháp sau:

+ Cảm biến tốc độ kiểu điện – từ + Cảm biến tốc độ kiểu xung

* Cảm biến tốc độ kiểu điện - từ:

- Nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Cảm biến thường gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) và phần ứng (phần có từ thông đi qua) Khi có chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng từ thông đi qua phần ứng biến thiên, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng và suất điện động cảm ứng này tỉ lệ với tốc độ

- Thông thường là các loại máy phát điện một chiều, máy phát đồng bộ …

* Cảm biến tốc độ dạng xung:

- Làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hoàn ( chuyển động quay ) Cảm biến loại này thường có một đĩa được mã hoá gắn với trục quay, chẳng hạn gồm các phần trong suốt xen kẽ các phần không trong suốt Cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến một đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo

a Máy phát điện một chiều công suất nhỏ

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo của máy phát một chiều

+ Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu

+ Roto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẻ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ

+ Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto

+ Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau

+ Mối quan hệ sức điện động (sđđ) và tốc độ được trình bày trong biểu thức:

n (vg/phut): Tốc độ quay; 0: Từ thông cực từ

Vì từ thông cực từ của nam châm vĩnh cửu được coi là không đổi nên quan hệ giữa sđđ

và tốc độ có thể viết:

e

Đặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa suất điện động và tốc độ như hình 2.2

Hình 2.3 Đồ thị mối quan hệ giữa suất điện động và tốc độ

Nhận xét :

Với đặc tính này, khi sử dụng máy phát tốc độ một chiều người ta phải lựa chọn dải tốc

độ nằm trong khoảng từ n1 đến n2 để có được mối quan hệ giữa Sđđ và tốc độ là tuyến tính

Ưu điểm

- Dải đo tương đối rộng

- Có thể nhận biết được chiều quay

Nhược điểm:

- Độ nhanh của cảm biến không cao

- Chi phí kỹ thuật cao và có yêu cầu năng lượng phụ trợ

b) Cảm biến tốc độ xoay chiều

* Máy phát đồng bộ

Sơ đồ cấu tạo của máy phát đồng bộ công suất nhỏ:

Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo của máy phát đồng bộ

- Roto (phầm cảm) của máy phát là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ

- Phần ứng ( Stator ) gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của stato là phần tạo ra suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay của roto:

 t m.

Trong đó:

1 2

Với K1, K2: là các thông số đặc trưng của máy phát

* Trong đó giá trị của có thể được xác định theo suất điện động E:

- Cuộn cảm ứng có trở kháng trong được tính theo công thức:

Trong đó:

+ Ri: là điện trở của cuộn dây

+ Li: là độ tự cảm của cuộn dây

- Điện áp ở hai đầu cuộn ứng với tải R có giá trị:

Tuỳ thuộc vào bản chất của vật quay và dấu hiệu mã hoá trên vật quay, người ta sử dụng loại cảm biến thích hợp:

+ Cảm biến tốc độ theo nguyên lý từ trở biến thiên: sử dụng khi vật quay là sắt từ

+ Cảm biến từ điện trở: sử dụng khi vật quay là một hay nhiều nam châm nhỏ

+ Cảm biến tốc độ dạng quang: sử dụng khi trên vật quay có các lỗ, đường vát, mặt phản

xạ

a Cảm biến tốc độ theo nguyên lý từ trở biến thiên

Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên Trong đó:

1 Đĩa quay (bánh răng)

2 Cuộn dây

3 Nam châm vĩnh cửu

Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm: một cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động của một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt từ trên đó có các bánh răng

Nguyên lý: Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỉ

lệ với tốc độ quay

- Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức:

f  p n

- Trong đó:

p - số lượng răng trên đĩa

n - số vòng quay của đĩa trong một giây

- Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố:

+ Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng nhỏ Thực tế,

khoảng cách này khoảng từ 1  3 mm

+ Tốc độ quay: Tốc độ quay càng lớn, E càng lớn

- Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của đĩa

Ưu điểm:

- Độ tin cậy và độ chính xác tương đối cao

- Việc xử lí tín hiệu đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp

Nhược điểm:

- Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E rất bé và khó phát hiện, do vậy tồn tại 1 vùng tốc độ

quay không thể đo được, người ta gọi vùng này là vùng chết

4 Đầu thu quang

- Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED)

- Đĩa quay, đặt giữa nguồn sáng và đầu thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng tròn Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng Kết quả là khi đĩa quay, đầu thu quang nhận được một thông lượng ánh sáng biến điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay

- Trong các cảm biến quang đo tốc độ, người ta cũng có thể dùng đĩa quay có các vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hoàn trên một vòng tròn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang

- Phạm vi tốc độ đo được phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

+ Số lượng lỗ trên đĩa

+ Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử

Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 vòng/phút) phải dùng đĩa có số lượng lỗ lớn (500 - 1.000 lỗ) Trong trường hợp đo tốc độ lớn ( ~ 105 - 106 vòng/phút) phải sử dụng đĩa quay chỉ một

lỗ, khi đó tần số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại có thể đo được

Để đo được trị số chính của nhiệt phải dùng cảm biến nhiệt độ Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý khác nhau như các nhiệt điện trở, nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa trên phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt, phương pháp dựa trên

sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc chất khí hoặc dựa trên tốc độ âm

Các loại cảm biến nhiệt độ:

- Trong thực tế hiện nay thường sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ là:

1 Điện trở kim loại

2 Điện trở Silic

3 Và điện trở chế tạo bằng hỗn hợp các Oxit bán dẫn

2.3.1 Nhiệt điện trở

a Nhiệt điện trở kim loại (RTD - Resitance Temperature Detector )

Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở:

- Có điện trở suất p đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thược nhiệt kế vẫn nhở

- Có đủ độ bền cơ, hóa ở nhiệt độ làm việc

- Dễ gia công và có khả năng thay thế Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Đồng, Plantium và Ni

- Quan hệ giữa nhiệt độ và nhiệt điện trở kim loại:

Sơ đồ mạch cầu Wheatstone như hình vẽ:

Hình 2.8 Mạch cầu Wheatstone dùng cho nhiệt điện trở

- Khi đó điện áp ra tính theo công thức:

- Trong đó:

V là điện áp cung cấp cho mạch cầu

Các điện trở R1,R2 thường có giá trị bằng nhau và R3 thường là một biến trở để điều chỉnh để mạch cầu cân bằng ở nhiệt độ 0o

C

- Trên thị trường có các loại nhiệt kế điện trở dùng Platinum: 100, 200, 500, 1000 Ohm tại 0 oC như thông dụng nhất là loại nhiệt điện trở Pt 100

- Loại Pt-100 nghĩa là điện trở ở nhiệt độ 0 oC bằng 100 Ohm loại này rất hay gặp

- Nhiệt kế điện trở loại này có công thức tính điện trở như sau:

- Giá trị hằng số α thường lấy bằng 0.00385oC-1 và được coi là không đổi trong thang nhiệt độ 0 ÷100 độ

- Nhiệt điện trở kim loại RTD thường có loại sử dụng 2 dây hoặc 3 dây hoặc 4 dây nối

Hình 2.9 Nhiệt điện trở kim loại sử dụng 2 dây

Nhận xét:

- RTD 2 dây thường được sử dụng vì cách đầu nối đơn giản (trong thực tế thường 1 dây mầu đỏ và một dây mầu đen)

- Độ chính xác không cao

Hình 2.10 Nhiệt điện trở kim loại sử dụng 3 dây

Nhận xét:

- RTD 3 dây giảm được sai số đo so với RTD 2 dây

- Đối với RTD 3 dây thì các dây phải có cùng chiều dài và vật liệu (thực tế thường có 1 dây mầu đỏ và 2 dây mầu đen)

- Khoảng cách dây nối có thể dài đến 600m

Hình 2.11 Nhiệt điện trở kim loại sử dụng 4 dây

Nhận xét:

- RTD 4 dây có độ sai số và độ tin cậy tốt nhất

- Không có sai số hệ thống

- Bù được hoàn toàn ảnh hưởng của sai số

- Thực tế thường TRD 4 dây thường có 2 dây mầu đỏ và 2 dây mầu đen

Hình 2.12 Nhiệt điện trở công nghiệp dùng Platin

* Nhận xét chung về nhiệt điện trở kim loại

- Ưu điểm:

+ Độ chính xác cao, phạm vi đo rộng

+ Độ ổn định theo thời gian cao, độ trôi hơn 0,1oC / năm

+ Tín hiệu điện áp ra lớn hơn loại cặp nhiệt điện

+ Độ tuyến tính điện trở rất tốt

- Nhược điểm:

+ Giá thành cao, kích thước lớn

+ Không bền như nhiệt cặp nhiệt trong môi trường rung động cao và va đập mạnh

* Ứng dụng của nhiệt điện trở RTD

- Tủ lạnh, điều hòa không khí

2

    thường nằm trong khoảng:  = (-2.5% ÷ -4%) Hệ

số nhiệt độ nhiệt điện trở bán dẫn có giá trị âm, có độ lớn gấp 6 – 10 lần nhiệt điện trở kim loại

vì thế được dùng trong các mạch khống chế nhiệt độ, hoặc đo nhiệt độ trong phạm vi rất nhỏ

- Nhiệt điệ trở bán dẫn có kích thước nhỏ, có độ nhạy cao theo nhiệt độ nên nhiệt điện trở bán dẫn cũng được dùng rộng rãi Tuy nhiên, cũng do tính phi tuyến của nhiệt điện trở bán dẫn nên việc sử dụng có nhiều hạn chế, cần phải hiệu chỉnh phi tuyến

- Nhiệt điện trở bán dẫn - Thermistor, được làm từ hỗn hợp các oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO

- Để chế tạo nhiệt điện trở bán dẫn các bột oxit được trộn với nhau theo tỉ lệ thích hợp, sau đó chúng được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000oC Các dây nối kim loại được hàn

2 điểm trên bề mặt bán dẫn đã được phủ bằng một lớp kim loại, Các Nhiệt điện trở bán dẫn được

chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau (hình đĩa, hình trụ, hình vòng ) và phần tử nhay cảm có thể bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần

2.4 Cảm biến đo áp suất chất lưu

- Trong thực tế, nhu cầu đo áp suất rất đa dạng đòi hỏi các cảm biến áp suất phải đáp ứng một cách tốt nhất cho từng trường hợp cụ thể và vì vậy, cảm biến áp suất cũng rất đa dạng, đa dạng về chủng loại, đa dạng về dải đo

2.4.2 Nguyên lý đo áp suất

a Áp suất và đơn vị đo

- Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặt với diện tích của nó:

dF p ds

- Trong công nghiệp người ta sử dụng đơn vị áp suất là bar (1Bar = 10^5Pa)

b Nguyên lý đo áp suất

- Đối với chất lưu không chuyển động thì áp suất chất lưu là áp suất tĩnh (pt) Do đó đo

áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng nên một diện tích thành bình

+  là khối lượng riêng của chất lưu; g là gia tốc trọng trường; po là áp suất khí quyển

- Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu p là tổng của áp suất tĩnh pt với áp suất động pđ:

đ

t p p

Trong đó:

Áp suất động được tính theo công thức:

2

.2

- Theo các chuyển đổi người ta chia các bộ chuyển đổi làm hai loại:

1 Biến đổi sự dịch chuyển của phần từ biến dạng thành tín hiệu đo Các chuyển đổi loại này thường là dùng là: cuộn cảm, biến áp vi sai, điện dung, điện trở…

2 Biến đổi ứng suất thành tín hiệu đo Các bộ chuyển đổi này là các phần tử áp điện hoặc điện trở

2.4.3 Cảm biến áp suất kiểu điện cảm

Cảm biến áp suất kiểu điện cảm được thể hiện như hình vẽ:

Hình 2.13 Cảm biến áp suất kiểu cảm ứng Trong đó:

1 - Tấm sắt từ

2 - Lõi sắt từ

3 - Cuộn dây

- Dưới tác dụng của áp suất đo, màng 1 dịch chuyển làm thay đổi khe hở từ giữa tấm sắt

từ và lõi từ của nam châm điện do đó làm thay đổi độ từ cảm của cuộn dây được tính gần đúng:

S tiết diện ngang khe hở không khí của mạch từ

W là số vòng của cuộn dây

  : là chiều dài khe hở không khí

Nhận xét:

- Biểu thức (2.4.4) là đặc tính tĩnh của cảm biến áp suất kiểu cảm ứng

- Khi áp suất từ 0,5 – 1MPa bề dày của màng nằm trong khoảng 0,1 – 0,3 mm,

- Khi áp suất nằm trong khoảng 20 – 30 MPa bề dày màng khoảng 1,3 mm

- Sự dịch chuyển của màng rất nhỏ, trong khoảng phần trăm mm, sai số  ( 0.2 – 5) %

2.4.4 Cảm biến áp suất kiểu tenxơ

Cảm biến áp suất kiểu ten xơ được trình bày như hình vẽ :

Hình 2.14 Cảm biến áp suất kiểu tenxơ Trong đó :

- Phần tử cảm biến là các màng mỏng (4) được dán các điện trở tenxơ

- Các điện trở tenxơ được chế tạo từ mangan, nicrom hoặc các bán dẫn loại P, N Nếu từ vật liệu dẫn điện thì điện trở nằm trong khoảng 30 – 500Ohm, còn nếu từ các chất bán dẫn thì điện trở có thể từ 10-2

R/R biến thiên điện trở tương đối của tenxơ

l/l Thay đổi chiều dài tương đối của tenxơ

k hệ số không đổi phụ thuộc vào vật liệu làm điện trở tenxơ

Nguyên lý đo áp suất bằng cảm biến áp suất kiểu Ten xơ:

- Trong màng mỏng kim loại 4 được gắn điện trở tenxơ silic Điện trở silic này cùng với các nhánh khác tạo nên một cầu có nhánh không cân bằng khi có chênh lệch về áp suất so sánh Hai áp suất cần giám sát P1 và P2 được so sánh nhau thông qua sự tác động gián tiếp từ các màng kim loại 1 và 3 thông qua các môi chất trung gian để tác động vào màng 4 tạo ra sự biến dạng cần thiết tạo nên sự mất cân bằng của cầu điện trở

- Tín hiệu áp suất đã chuyển đổi thành tín hiệu dòng điện (hoặc điện áp) thông qua cầu tenxơ, tín hiệu này được đưa đến bộ khuếch đại 6 qua cổng 5 và truyền từ 6 sang 7

- Hiện nay để thuận lợi trong việc ghép nối, thường sử dụng các bộ converter hoặc transducer để biến đổi thành đầu ra quy chuẩn 4 – 20 mA; 0 – 10V hoặc 0 – 20V

2.4.5 Cảm biến áp suất kiểu áp điện

- Bản chất của hiệu ứng áp điện là cho phép biến đổi trực tiếp ứng lực dưới tác dụng của lực F do áp suất gây nên thành tín hiệu điện

- Nguyên lí tác dụng của các cảm biến áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện có ở một số tinh thể như: Thạch anh, Turmalin, Titan, Bari

- Áp suất p gây lên lực F tác động lên các bản áp điện, làm xuất hiện trên hai mặt của bản

áp điện một điện tích Q tỉ lệ với lực tác dụng F:

F k

Hình 2.15 Cảm biến áp suất kiểu áp điện Trong đó:

- Quan hệ giữa điện tích và áp suất theo công thức 2.4.6 được tính:

p S k

S: là diện tích hữu ích của màng

- Để tăng độ nhạy của bộ biến đổi bằng cách mắc song song một số các bản cực với nhau hoặc tăng diện tích hữu ích của màng

- Bộ biến đổi loại này không dùng để đo áp suất tĩnh vì nó có đặc tính động học rất cao, tần số dao động riêng của hệ thống màng - lát cắt thạch anh vào khoảng hàng chục KHz

2.5 Cảm biến mức

Đo mức của chất lỏng hoặc chất rắn trên tàu thủy cũng luôn phải thực hiện trong quá trình vận hành, khai thác các con tàu Việc xác định mức ( chất lỏng, chất rắn) trong các bồn

chứa ( tank – két) trên tàu thủy nói riêng hoặc trong công nghiệp nói chung có thể thực hiện bằng

nhiều phương pháp

2.5.1 Đo mức chất lỏng bằng cách đo áp suất hoặc hiệu áp suất

Trong công thức 2.18 cho phép thực hiện phép đo áp suất hoặc hiệu áp suất chất lỏng và

trên cơ sở áp suất người ta tính được mức chất lỏng trong bồn

2.5.2 Đo mức bằng cách đo trọng lượng

- Trong nhiều trường hợp, chất lỏng là các chất ăn mòn, nguy hiểm hoặc đo mức chất rắn

trong các tank chứa, người ta có thể tính mức vật chất bằng việc cân trọng lượng Tank chứa có

thể được đặt trên một hoặc nhiều hộp đo lực với hiệu ứng từ đàn hồi ( magnetoelastic effects) tức

là dựa vào hệ số điện ảm L và hằng số từ thẩm tương đối r :

2

m

W L R

Với:

A

l R

r

Trong đó :

l: Chiều dài của cuộn dây,

A: Diện tích cắt ngang cuộn dây mà các đường sức đi qua,

0: Hằng số từ thẩm tuyệt đối,

r: Hằng số từ thẩm tương đối

- Hai thông số luôn bị thay đổi đó là L và r lực tĩnh sẽ làm thay đổi l còn r của một số

hợp kim bị thay đổi do các ứng suất cơ học, độ từ thẩm gia tăng với ứng suất kéo và giảm đi

dưới áp suất

2.5.3 Đo mức chất lỏng bằng phương pháp đo điện dung

- Sử dụng hai bản cực của tụ điện đặt vào môi trường cần đo, điện dung được tính theo

2.28 như sau:

l l l

l l

l l C

C C C

11

0 2 0

2 0

0 0 0 0

- Hình 2.16 trình bày phương pháp đo điện dung sử dụng trong đo mức nước trong nồi

hơi phụ sử dụng trên tàu thủy Với hệ thống cấp nước nồi hơi phụ, người ta phải sử dụng nhiều

mức để thực hiện điều khiển: Ví dụ với việc cấp nước nồi, người ta thực hiện khởi động bơm khi

mức nước xuống đến nấc 3, dừng bơm tại nấc 4 Nấc 2 sử dụng để báo động mức thấp, nấc 5 sử

dụng mức nước cao Thanh 1 là nấc cơ sở

Hình 2.16 Cảm biến mức kiểu điện dung

- Không gặp khó khăn với những tank – bồn có khuấy,

- Có độ chính xác cao, không bị mật độ khí và các lớp nhiệt độ khác nhau của lớp khí bên trên chất lỏng ảnh hưởng,

- Cho kết quả chính xác cả với khói bụi, hơi nước trong bồn chứa và bọt trên mặt chất lỏng

2.6 Cảm biến quang

2.6.1 Khái niệm

Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc từ hồng ngoại ( IR) và tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện

Quang năng có một số thông số chính:

+ Năng lượng bức xạ Q là năng lượng phát xạ , lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ ( Jun – J)

+ Thông lượng ánh sáng  là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ:

+ Độ chói năng lượng là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó:

Trong đó :  là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA

+ Độ rọi năng lượng E là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó:

Các thông số và đại lượng đặc trưng:

+ Điện trở tối RCO phụ thuộc vào kích thước, nhiệt độ và bản chất vật lí

+ Điện trở khi được chiếu sáng:

a R

a R R

R

R R R

CO CO CP

CO

CP CO

+ Thu tín hiệu quang, biến đổi xung quang thành xung điện

+ Điều khiển rơle trực tiếp hoặc gián tiếp như hình 2.17

Hình 2.17 Cảm biến quang trong mạch điều khiển rơle

2.6.2.2 Photodiode ( Diode quang)

- Tiếp giáp do hai chất bán dẫn P – N tạo nên là vùng nghèo hạt dẫn Khi không có điện

áp (V = 0) thì dòng tại vùng tiếp giáp bằng không ( Itg = 0) Khi đặt vào tiếp giáp một điện áp thuận Vd sẽ xuất hiện dòng điện tại vùng nghèo hạt dẫn :

V q I

- Khi đặt điện áp ngược :

mV q

T k

x e

x) 0 .

   ( 2.37) Trong đó  = 105 cm-1

Photodiode có hai chế độ hoạt động:

1 - Chế độ quang dẫn : dùng điện áp ngoài đặt phân cực ngược tạo nên dòng rò :

P d

T k

V q I

I  0 ] 0

.exp[

IP dòng điện hình thành khi ánh sáng đạt tới vùng nghèo sau khi đi qua bề dày X :

).exp(

)

1(

c h

R q

2 - Chế độ quang thế: Không có điện áp ngoài đặt vào, ánh sáng chiếu vào photodiode

tạo nên hiệu điện thế:

]1log[

0

I

I q

T k

Khi hở mạch :

0 0

I

I q

T k

1

2

Hình 2.18 Cảm biến photodiode trong chế độ quang dẫn trong mạch

- Hình 2.19 trình bày một photodiode với khả năng tác động nhanh với điện trở tải của diode :

Hình 2.19 Cảm biến photodiode trong chế độ quang dẫn trong mạch tác động nhanh Trong đó:

K

R R

- Trong sơ đồ tụ C2 bù trừ sự ảnh hưởng của tụ kí sinh Cp1 với điều kiện:

2 2 1

Hình 2.20 Cảm biến photodiode trong mạch cảm biến với dòng ngắn mạch

- Hình 2.21 là mạch tạo điện áp ra với hàm logarit trong chế độ hở mạch với:

Hình 2.21 Cảm biến photodiode trong mạch logarit

2.6.2.3 Phototransistor

Phototransistor là các transistor silic loại NPN Vùng base được chiếu sáng làm cho chuyển tiếp B-C phân cực ngược Điện áp tập trung vào B-C còn Vbe =(0.6 -0.8)V thay đổi không đáng kể

Hình 2.22 Cảm biến phototransistor trong mạch sử dụng rơle

Khi B-C được chiếu sáng :

)exp(

)

1.(

c h

X R

q

(2.48)

I0 : Dòng ngược trong tối,

IP: Dòng điện tích dưới tác dụng của 0,

X: Bề dày Base,

Ir: Dòng Base

Hình 2.23 Cảm biến phototransistor trong mạch cộng Logic

Hình 2.24 Cảm biến phototransistor trong mạch điều khiển thyristor

Hình 2.25 Cảm biến phototransistor hiệu ứng trường

2.7 Cảm biến thông minh

2.7.1 Khái quát chung

- Hiện nay, để nhận được những đặc tính cho dụng cụ đo như: tự động chọn thang đo, tự động xử lí thông tin đo, tự động bù sai số người ta đã sử dụng các bộ vi xử lí hoặc vi điều khiển kết hợp với các loại cảm biến khác nhau để tạo nên một loại cảm biến mới gọi là cảm biến thông minh (Intelligent Sensor)

- Các cảm biến thông minh có thể thực hiện được các chức năng mới mà các cảm biến thông thường không thực hiện được đó là:

+ Chức năng thu thập số liệu đo từ nhiều đại lượng đo khác nhau với các khoảng đo khác nhau,

+ Chức năng chương trình hóa quá trình đo ( đo theo một chương trình đã định trước) + Có thể gia công sơ bộ kết quả đo theo các thuật toán đã định sẵn và đưa ra kết quả hiển thị trên màn hình hoặc máy in

+ Có thể thay đổi tọa độ bằng cách đưa thêm vào thừa số nhân thích hợp

+ Tính toán, đưa ra kết quả đo khi thực hiện các phép đo gián tiếp hay hợp bộ hoặc đo thống kê

+ Hiệu chỉnh sai số của phép đo

+ Bù các kết quả đo bị sai lệch do ảnh hưởng của sự biến động các thông số do môi trường : Nhiệt độ, độ ẩm

+ Điều khiển các khâu của dụng cụ đo cho phù hợp với đại lượng đo ( tự động chọn thang đo )

+ Mã hóa tín hiệu đo

+ Ghép nối với các thiết bị ngoại vi: Màn hình, máy in, bàn phím, với các kênh liên lạc

để truyền tín hiệu đi xa theo chu kì hoặc theo địa chỉ

+ Có thể ghép nối với bộ nhớ để nhớ số liệu của kết quả đo hay các giá trị tức thời của tín hiệu đo

+ Có khả năng tự động khắc độ

+ Kết hợp với P để thực hiện các phép tính như : cộng, trừ, nhân , chia, tích phân , vi phân, phép tuyến tính hóa đặc tính phi tuyến của cảm biến, điều khiển quá trình đo, điều khiển sự làm việc của các khâu khác như: Chuyển đổi tương tự số ( A/D) hay các bộ dồn kênh Multiplexer (MUX)

+ Sử dụng P có khả năng phát hiện những vị trí hỏng hóc trong thiết bị đo và đưa ra thông tin về chúng nhờ cài đặt chương trình kiểm tra và chẩn đoán kĩ thuật về khả năng làm việc của thiết bị đo

2.7.2 Cấu trúc chung của cảm biến thông minh

- Cấu trúc của cảm biến thông minh được trình bày trong hình 2.26

Hình 2.26 Cấu trúc của cảm biến thông minh Trong đó:

S1, S2…Sn là các cảm biến sơ cấp

CĐCH1, CĐCH2…CĐCHn là các bộ chuyển đổi chuẩn hoán có nhiệm vụ đưa ra các dạng tín hiệu chuẩn thường là tí hiệu áp chuẩn 0 – 5V; 0 – 10V hoặc dòng từ 0 – 20mA; 4 – 20mA

MUX: Bộ dồn kênh – có nhiệm vụ đưa các tín hiệu vào bộ chuyển đổi tương tự số A/D trước khi đưa vào bộ vi xử lý

Cách 2:

- Nếu bản thân cảm biến đã được tích hợp cùng với các vi mạch thì cả cảm biến cùng với các thiết bị đi kèm đều được tích hợp trong một khối công nghệ mạch lai Thông thường cầu trúc này là cấu trúc phổ biến của một cảm biến thông minh

- Toàn bộ việc điều khiển hoạt động của các cảm biến thông minh do các P đảm nhiệm trên cơ sở các thuật toán chương trình đã được lập trình theo một ngôn ngữ nhất định (thường sử dụng hợp ngữ ASSEMBLY)

- Các chương trình phần mềm về cơ bản bao gồm:

+ Chương trình thu thập số liệu: Khởi động các thiết bị như các ngăn xếp, cổng thông tin nối tiếp, đọc số liệu từ cổng vào ADC, điều khiển hoạt động của MUX

+ Chương trình biến đổi và xử lí thông tin đo: Biến đổi các giá trị đo được thành mã BCD, mã 7 thanh, mã ASCII, các chương trình xử lí số liệu đo

+ Chương trình giao diện: Đưa hiển thị ra LED hoặc màn hình, máy in, đọc bàn phím và

xử lí chương trình bàn phím, đưa kết quả ra cổng thông tin hay truyền vào mạng hoặc gửi cho máy tính cấp trên

2.8 Thiết bị cảm biến chênh lệch điện áp

a Khái niệm

- Trong các hệ thống tự động, thiết bị cảm biến chênh lệch điện áp được sử dụng để thực hiện chức năng so sánh điện áp vào với điện áp chuẩn của các phần tử đo hoặc hai điện áp vào với nhau đồng thời đưa ra tín hiệu dạng điện áp vào với điện áp chuẩn hoặc với hai điện áp vào với nhau

b Phân loại

- Phân loại theo dạng tín hiệu ra :

+ Dạng tín hiệu ra điện áp một chiều + Dạng tín hiệu ra dòng điện một chiều

- Phân loại theo cấu trúc linh kiện tạo nên phần tử:

+ Phần tử đo bằng bán dẫn, + Phần tử đo bằng vật liệu sắt từ

2.8.1 Thiết bị cảm biến chênh lệch điện áp bằng bán dẫn

a Tín hiệu ra dưới dạng điện áp

Hình 2.27 trình bày thiết bị cảm biến chênh lệch điện áp trong đó D1, D2 là hai điốt ổn áp ( Zene diode) với điện áp xuyên thủng là U0 Hai điện trở R1 = R2 Tín hiệu vào U1 và tín hiệu ra

U2 đều là tín hiệu một chiều

Hình 2.27 Cảm biến chênh lệch điện áp

Hình 2.28 là đặc tính vào ra biểu diễn mối quan hệ vào / ra Đồ thị được xây dựng với quan hệ:

Hình 2.28 Đặc tính điện áp vào / ra Xây dựng mối quan hệ:

)(

)(

13 14

V

V U f U

U f U





Trừ trên đồ thị, nhận được đặc tính ra Khi điện áp vào tăng từ 0 lên do điện áp vào vẫn nhỏ hơn U ôđ của các diode nên D1 và D2 vẫn ở trạng thái khóa

Nếu tiếp tục tăng UV > Uôđ thì lúc đó các diode D1 D2 dẫn và từ khi UV > Uôđ thì U 14 =

Uôđ còn U13 = UV - Uôđ sẽ tăng tuyến tính theo UV

Khi UV = 2Uôđ thì U14 = U13 tức là hai đặc tính :

)(

)(

13 14

V

V U f U

U f U

Sơ đồ cầu này thường được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống tự động điều chỉnh điện áp với phần tử thực hiện là thyristor Tín hiệu ra của mạch được sử dụng để điều khiển transistor một tiếp giáp ( diode hai gốc) trong mạch tạo xung Khi đó điểm công tác của cầu đo nằm trên đoạn AB của đặc tính ra Tín hiệu ra cũng có thể dùng để điều khiển transistor trong mạch tạo xung theo nguyên tắc tự dao động Khi làm việc trong mạch tự động điều chỉnh điện

áp, có thể sử dụng đoạn OA để làm tăng quá trình tự kích của máy phát Khi muốn thay đổi điểm công tác của cầu đo, có thể sử dụng biến trở đặt điện áp cửa vào của cầu và có thể thay đổi trong một vùng khá lớn tạo điều kiện lựa chọn cho người sử dụng Trong thực tế, ở một số sơ đồ cầu

có thể thay đổi cấu trúc của cầu với việc thay diode bằng một biến trở để dùng trong các sơ đồ ổn

áp

b Tín hiệu ra dưới dạng dòng điện

Hình 2.29 trình bày sơ đồ thiết bị đo điện áp có tín hiệu ra dưới dạng dòng điện Điện áp cần đo thông qua biến áp Tr và chỉnh lưu cầu Rec đưa đến trước zener diode Dz điện áp cần đo

Uđo Điện áp này dược so sánh với điện áp chuẩn Uo do Dz tạo nên Điểm công tác có thể chọn khi điện áp: Uđo = Uo

Hình 2.29 Sơ đồ tạo tín hiệu điện áp ra dưới dạng dòng điện Khi điện áp Uđo > Uo thì trong mạch xuất hiện dòng điện I1 dòng này tạo nên điện áp rơi trên điện trở R5 tạo thiên áp cho T1 Transistor T1 dẫn, trên colector của T1 có dòng điện IC Nếu

độ chênh lệch điện áp U = Uđo - Uo càng lớn thì dòng IC càng lớn Như vậy sơ đồ đã biến độ chênh lệch điện áp thành tín hiệu dòng IC Trường hợp U  0 thì T1 khóa hoàn toàn và IC = 0

Mạch này chỉ làm việc ở phía điện áp chênh lệch lớn hơn không Để lấy tín hiệu URa dưới dạng xung thì cần lắp mạch thêm một tầng có T2 , lúc đó tùy theo giá trị dòng IC ( T1) mà tụ C2

sẽ nạp nhanh hay chậm Khi C2 no thì T2 khóa và điện áp URa xuất hiện Thời gian xuất hiện xung dài hay ngắn phụ thuộc vào giá trị của mạch R2C2 , biên độ xung không thay đổi.Điều chỉnh độ rộng xung bằng việc điều chỉnh R2

2.9 Thiết bị cảm biến chênh lệch tần số

2.9.1 Chức năng

Thiết bị có thể cảm biến được sự thay đổi tần số của lưới điện, so sánh với tần số cho trước ( chuẩn) để đưa ra tín hiệu điện ( dưới dạng điện áp, dòng điện ) sử dụng cho việc đo, kiểm tra, điều khiển

CHƯƠNG 3 PHẦN TỬ BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU

3.1 Các bộ biến đổi ADC và DAC

3.1.1 Khái niệm, Chức năng của ADC và DAC

- ADC (Analog – Digital Converter) biến đổi một tín hiệu vào tương tự (Analog) thành tín hiệu ra số (Digital)

- DAC (Digital – Analog Converter) biến đổi một tín hiệu vào số (Digital) thành tín hiệu

ra tương tự (Analog)

- Tín hiệu Digital ở ADC và DAC là mã nhị phân, còn tín hiệu Analog là điện áp hoặc dòng điện

3.1.2 Đặc tính của ADC và DAC

- Để có đặc tính truyền đạt vào-ra lý tưởng, bộ biến đổi cần phải có độ phân giải vô cùng lớn

- Độ phân giải của bộ biến đổi tín hiệu được thể hiện thông qua số bit dùng để mã hoá tín hiệu analog

- Với ADC/DAC sử dụng n bit, độ phân giải của nó là 2n Tức là, tín hiệu analog có thể nhận một trong 2n

giá trị khác nhau Mỗi một giá trị rời rạc đó được gọi là một mức lượng tử

- Mỗi một giá trị mã số tương ứng với một khoảng giá trị của tín hiệu analog, chứ không phải chỉ một giá trị cụ thể

- Đặc tính vào-ra thực tế của ADC/DAC có dạng bậc thang Số bậc của đường đặc tính này tuỳ thuộc vào số bit của mã số, nó cho biết độ phân giải cũng như độ chính xác của ADC/DAC

- Khoảng giá trị của một mức lượng tử

Hình 3.2 Đặc tính vào – ra của ADC - DAC

Ví dụ với ADC 3-bit, có thể có 8 tổ hợp mã khác nhau ở cửa ra tương ứng với tám mức giá trị lượng tử của tín hiệu vào analog

Trong ví dụ này, nếu điện áp vào là 5.5V và điện áp chuẩn so sánh là 8V, thì mã nhị phân

ở lối ra sẽ là 101

Bước lượng tử trong trường hợp này là VREF/8 = 1V, ADC càng nhiều bit có bước lượng

tử càng nhỏ và do vậy có khả năng phân ly và độ chính xác cao hơn

3.1.3 Bước lượng tử của ADC

Bước lượng tử của ADC (bằng độ lớn của 1 bit có trọng số thấp nhất LSB – Least Signification Bit) phụ thuộc vào số bit của ADC và độ lớn của điện áp chuẩn so sánh VREF

Hình 3.3 Bước lượng tử của ADC

3.1.4 Biến đổi DAC

- DAC biến đổi mã nhị phân ở lối vào thành tín hiệu analog ở cửa ra:

- Điện áp chuẩn so sánh VREF được chia thành 2n mức nhờ bộ phân áp gồm 2n điện trở

- Tuỳ theo giá trị của mã nhị phân ở lối vào mà có một mức điện áp tương ứng được chọn đưa tới cửa ra