gia công tín hiệu đo lường

Tài liệu tham khảo 1. Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh, Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTMĐL Khoa VTĐT, 2019. 2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm 2019. 2Bài 1: Gia công tín hiệu đo lường 3 1. Các tín hiệu đo lường tương tự 2. Gia công tín hiệu đo lường 3. Chuyển đổi ACDC 4. Chuyển đổi điện áp – tần số

Mai Quốc Khánh Nguyễn Hùng An

Học viện KTQS 06/2019

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU

ĐO LƯỜNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Tài liệu tham khảo

1 Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh,

Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019.

2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường , Nguyễn Hùng An, Mai Quốc

Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm

2019

2

Bài 1: Gia công tín hiệu đo lường

2. Gia công tín hiệu đo lường

4. Chuyển đổi điện áp – tần số

1 Các tín hiệu đo lường tương tự

• Thông tin đo lường thường được xử lý dưới dạng tín

hiệu đo lường

• Tín hiệu đo lường điện là tín hiệu điện biến thiên

theo thời gian để biểu diễn giá trị đo được.

• Các tham số tín hiệu thường sử dụng để biểu diễn giá

trị đo: biên độ, tần số, pha

• Để đạt chất lượng tốt hơn, tín hiệu cần được xử lý bổ

sung.

Tại sao cần xử lý bổ xung với tín hiệu đo lường?

2 Gia công tín hiệu

• Gia công tín hiệu (hay chuẩn hóa tín hiệu

sơ cấp về dạng thuận tiện cho xử lý tiếp theo

• VD: biến đổi sự thay đổi điện trở của cảm biến điện

trở nhiệt thành sự thay đổi của điện áp

• Thông thường, mạch chuẩn hóa tín hiệu cho

phép hiệu chỉnh tăng cường tuyến tính.

• Biến đổi tín hiệu cảm biến về dạng cuối (bao

gồm: khuếch đại, biến đổi về giao diện chuẩn)

Mục đích của gia công tín hiệu

• Thu nhận dữ liệu (Data Acquisition) : trộn tín

hiệu vào, chuyển đổi về dạng số và truyền tới

giao diện máy tính

này sang dạng khác

chất lượng tín hiệu

Các hoạt động gia công tín hiệu

8

• Khuếch đại tín hiệu : tăng giá trị tín hiệu

nhưng vẫn bảo toàn các tham số khác (VD:

băng thông tần số, dạng sóng ).

mạch ra.

phần hài đã chọn từ tín hiệu vào

Các hoạt động gia công tín hiệu (tt)

 Hòa hợp tín hiệu : chuyển đổi tín hiệu từ dạng tùy ý về dạng chuẩn (hoặc dạng thông dụng)

 VD: biến đổi tín hiệu đo về tín hiệu ± 5V (chấp nhận

bởi hầu hết các mạch số).

 VD: biến đổi tín hiệu đo thành tín hiệu cao tần với

một tham số nào đó (biên độ, tần số, pha) thay đổi theo thông tin đo lường.

Các hoạt động gia công tín hiệu (tt)

10

Các kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường

 Xử lý tương tự tín hiệu đo lường

 Xử lý số tín hiệu đo lường

 Hai kỹ thuật trên bổ sung cho nhau

Phân loại tín hiệu đo lường

 Tín hiệu tất định và tín hiệu ngẫu nhiên

và có thể tái tạo.

đó

 Tín hiệu một chiều (DC) và tín hiệu xoay chiều (AC)

 Các giá trị: tức thời u(t); biên độ U m hoặc đỉnh U p ; đỉnh-đỉnh (U pp ); trung bình (U 0 ), trung bình chỉnh lưu (U av ); hiệu dụng U rms

 Tần số f (hoặc ω = 2πf hoặc chu kỳ T = 1/f); pha ϕ 12

1

( )

t T rms

Giá trị biên độ

Phân tích tín hiệu AC trên miền tần số và

miền thời gian

Phân tích tín hiệu AC trên miền tần số và

miền thời gian (tt)

Tín hiệu tuần hoàn không sin cũng có thể mô tả theo

Với tín hiệu không tuần hoàn, sử dụng tích phân

Fourier thay cho chuỗi Fourier

Biểu diễn Fourier các tín hiệu điển hình

16 Biểu diễn Fourier của các tín hiệu điển hình

Biểu diễn phổ của tín hiệu

Tín hiệu hinh sin thuần túy Tín hiệu bị méo

Ví dụ về phân tích phổ

• Nhiều đại lượng không điện có thể được đo bằng các

cảm biến  chuyển đổi giá trị đo thành sự thay đổi

của trở kháng, dung kháng và cảm kháng.

• VD: cảm biến strain-gauge (áp suất  thay đổi trở kháng);

cảm biến âm học của microphone (âm thanh  thay đổi

dung kháng)

• Bước xử lý đầu tiên là chuẩn hóa tín hiệu, thông

thường biến đổi tín hiệu thành điện áp (thuận tiện xử

lý tiếp theo: khuếch đại, lọc, truyền dẫn).

Chuẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảm

kháng

18

Chuẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảm

kháng (tt)

19

out x

a) Với trở kháng nối tới R x rất lớn

1

out

x x

Hạn chế: U out = f(R x ) không xuất phát từ 0 (do R x không xuất phát từ

0  U out cũng không xuất phát từ 0)

Các BCĐ điện trở

-điện áp điển hình

 CĐ tuyến tính

 CĐ phi tuyến

Chuẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảm

kháng (tt)

20

Các BCĐ điện trở-điện áp có loại trừ thành phần lệch

a) Cầu không cân bằng (cầu kiểu lệch) b) Với khuếch đại vi sai c) Đặc tính chuyển đổi

x out

• Ở trạng thái cân bằng đối với điểm bắt

đầu của điện trở cảm biến, tín hiệu ra

có độ lệch bằng 0, do:

• Hàm truyền bắt đầu từ 0

• Miễn nhiễm với thay đổi của nhiễu bên

ngoài (VD: sự thay đổi nhiệt độ bên

 Mạch sử dụng KĐ vi sai có đặc tính

tương tự như mạch cầu không cân bằng

 Mạch KĐ vi sai chuyển đổi sai khác giữa

các tín hiệu đầu vào: U out =K u (U 1 -U 2)

 Do đó, nếu một trong các điện trở đầu

vào là tích cực (cảm biến đo lường) và

điện trở thứ hai là thụ động có cùng giá

trị  loại trừ được điện áp lệch và cũng

loại trừ được nhiễu

BCĐ điện trở-điện áp sử dụng KĐ vi sai

22 Mạch với KĐ vi sai

BCĐ sử dụng mạch cầu cân bằng 4 cảm biến

 Để tăng độ nhạy  sử dụng mạch cầu cân bằng có 4 cảm

biến Hai loại chính:

a) Cấp nguồn DC (sử dụng trong hệ thống cầu đo biến dạng)

Mạch cầu cân bằng với 4

cảm biến, cấp nguồn DC Mạch cầu cân bằng với 4

cảm biến, cấp nguồn AC

BCĐ điện dung

Chuyển đổi điện dung (C) hoặc điện cảm (L) thành tín hiệu AC có tần số phụ

thuộc vào tham số cần đo: a) Bộ dao động Hartley b)Bộ dao động Colpitts

 Các bộ tạo dao động (VD: bộ TDĐ Hartley và Colpitts) chuyển đổi biến thiên của điện trở, điện cảm và điện dung thành tần số

 Hạn chế: sự phụ thuộc phi tuyến của tần số vào tham số cần đo là

phi tuyến, vì f 1/𝑋 (X là C hoặc L)

BCĐ điện dung (tt)

26

BCĐ điện dung-tần số sử dụng khuếch đại thuật toán

 Có thể điều chỉnh mạch tạo dao

động bằng cách sử dụng khuếch đại

thuật toán.

 Tần số phụ thuộc vào điện dung C

(hoặc điện trở R) như sau:

3 Chuyển đổi AC/DC

• Chuyển đổi AC/DC sử dụng đi ốt chỉnh lưu

• Chuyển đổi RMS của tín hiệu AC thành DC

• Chuyển đổi giá trị đỉnh của tín hiệu AC thành DC

• Bộ chỉnh lưu nhạy pha

Chuyển đổi AC/DC sử dụng đi ốt chỉnh lưu

28

 Sử dụng chỉnh lưu đi ốt: đi ốt chỉnh lưu chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều của điện áp cung cấp

 Hạn chế: Đặc tính truyền đạt phi tuyến; độ dẫn điện bắt đầu từ

một điện áp ngưỡng khác không (U p  0,5 V); có dòng ngược.

 Đối với đo lường, cần phải có đi ốt với mạch điện tử phức tạp

hơn (VD: kết hợp với khuếch đại thuật toán)

Nguyên tắc biến đổi AC/DC sử dụng đi ốt chỉnh lưu

Đặc tính

truyền của đi

ốt chỉnh lưu

Chuyển đổi AC/DC sử dụng đi ốt chỉnh lưu (tt)

Chuyển đổi AC/DC sử dụng đi ốt

chỉnh lưu và KĐTT

in wy

u I

R



 Bộ KĐTT chuyển đổi điện áp

 dòng điện, dòng chỉnh lưu

chạy trong mạch hồi tiếp

 Khi điện áp hồi tiếp mạnh,

điện áp ngưỡng U p ’ ≈ U p /K u (K u

là tăng ích của bộ khuếch đại)

rất nhỏ  chuyển đổi gần

tuyến tính.

 Kết quả chỉnh lưu cả chu kỳ

Chuyển đổi giá trị trung bình của

out

u khi u U

Chuyển đổi RMS của tín hiệu AC thành DC

 Để biến đổi giá trị RMS của điện áp AC thành DC, cần thực hiện: bình phương, tính giá trị trung bình, khai căn bậc hai

Chuyển đổi RMS của tín hiệu AC thành DC (tt)

32

 Nguyên tắc chuyển đổi RMS đơn khối của Analog Devices

Chuyển đổi “True” RMS sử dụng 2 bộ nhân AD636 của Analog Devices

Giá trị tuyệt đối và chuyển đổi U/I

Bình phương Chia

dòng điện

Mạch đơn giản chuyển đổi RMS AD636 của Analog Device

Giá trị tuyệt đối và chuyển đổ U/I

Bình phương Chia

Gương dòng điệnChuyển đổi RMS của tín hiệu AC thành DC (tt)

Thiết kế vôn mét TrueRMS của Analog Devices

34

Chỉnh lưu

Bình phương Chia

Gương dòng điện

Bộ đệm

Chuyển đổi RMS của tín hiệu AC thành DC (tt)

1) tương đương với logU in2

2 logU in  logU out

2) tương đương với log(U in2 /U out )

Loga và bình phương Chia Đối loga

Lọc

 Áp dụng định nghĩa vật lý về giá trị hiệu dụng: Giá trị hiệu

dụng (RMS) của dòng điện AC bằng với giá trị dòng điện

DC với cùng điện trở R và trong thời gian một chu kỳ gây ra bức xạ cùng một giá trị nhiệt.

 Ưu điểm: Cho phép chuyển đổi AC/DC ở băng thông rất lớn (tới 300 MHz) với hệ số đỉnh lớn

36

Bộ biến đổi RMS dựa

trên hiệu ứng nhiệt

(Linear Technology)

Chuyển đổi RMS của tín hiệu AC thành DC (tt)

Tham số của các bộ biến đổi true RMS điển hình

Mô hình Nhà sản xuất Sai số cực đại của chuyển đổi Băng thông Hệ số đỉnh

AD636 Analog Devices 5 mV ± 0,5%rdg 450 kHz 7

AD637 Analog Devices 1 mV ± 0,5%rdg 1 MHz 10

AD737 Analog Devices 0,2 mV ± 0,5%rdg 190 kHz 5

LH0091 National Semic 0,5 mV ± 0,05%rdg 800 kHz 10

Chuyển đổi RMS của tín hiệu AC thành DC (tt)

Chuyển đổi giá trị đỉnh của AC thành DC

Nguyên tắc hoạt động của bộ chuyển đổi giá trị đỉnh

38

 Điện áp chỉnh lưu được đưa tới C

 Nếu hằng số thời gian của các mạch RC (mạch nạp và phóng)

được thiết kế sao cho quá trình nạp nhanh, còn quá trình

phóng chậm thì điện áp trên tụ sẽ bằng với giá trị đỉnh của điện áp nguồn cung cấp

Chuyển đổi giá trị đỉnh của AC thành DC (tt)

(a) BCĐ giá trị đỉnh và (b) BCĐ giá trị đỉnh - đỉnh

 BCĐ giá trị đỉnh: C 1 được nạp tới giá trị đỉnh Mạch hồi tiếp (R 1 và

D 1 ) bảo vệ bộ khuếch đại khỏi bão hòa khi U in <U c Việc kết nối có

chu kỳ điện trở R p cho phép tụ C phóng và lặp lại sự chuyển đổi

 BCĐ giá trị đỉnh-đỉnh: 2 BCĐ giá trị đỉnh được kết nối tới bộ KĐ vi sai.

Bộ chỉnh lưu nhạy pha

Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu nhạy pha

40

 Bộ chỉnh lưu nhạy pha (bộ giải điều chế nhạy pha, hoặc bộ tách

sóng nhạy pha) phân tách tín hiệu thành hai thành phần đồng pha

Bộ chỉnh lưu nhạy pha

 U x được cộng vào U reftrong nửa chu kỳ đầu tiên của tín hiệu và bị

trừ khỏi điện áp U ref trong nửa chu kỳ thứ hai

 Tín hiệu đầu ra U out là:

 Để mạch chỉnh lưu làm việc chính xác, yêu cầu U >U 41

Bộ chỉnh lưu nhạy pha (tt)

 Bộ chỉnh lưu nhạy pha dùng transistor: transistor được

dùng làm chuyển mạch nhạy pha

 Cả U BE và U BC được phân cực thích hợp Giá trị trung bình

của dòng colector phụ thuộc vào dịch pha giữa điện áp U BE

và U BC

 Ưu điểm của các bộ chỉnh lưu nhạy pha dùng đi ốt và

transistor: không cần sử dụng thêm điện áp nguồn cung cấp 42

Hai bộ chỉnh lưu

nhạy pha cả chu

kỳ

Bộ chỉnh lưu nhạy pha (tt)

 Bộ chỉnh lưu nhạy pha sử dụng khuếch đại thuật toán cho chất lượng tốt hơn bộ chỉnh lưu dùng đi ốt hoặc transistor

 Trong trường hợp này, một trong các đầu vào của mạch

được nối tới điện áp tham chiếu U ref

Bộ chỉnh lưu nhạy

pha dùng khuếch

đại thuật toán

4 Chuyển đổi điện áp - tần số

• Các tín hiệu biến đổi theo thời gian (tần số, chu kỳ, độ dịch pha, độ rộng xung) miễn nhiễm hơn đối với nhiễu (so với tín hiệu biến thiên theo biên độ)

• Tần số có thể đo dễ dàng với độ chính xác cao

Bộ biến đổi điện áp/tần số

 Tần số của tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào biên độ của điện

r

U f

RCU



ef

Bộ biến đổi điện áp/tần số (tt)

46

• Chuyển đổi điện áp - tần số lên tới 100 kHz với sai số phi tuyến nhỏ hơn

0,05%.

• Hệ số chuyển đổi K=U in /f có thể được thiết lập bằng cách mắc điện trở R và tụ

C bên ngoài với giá trị thích hợp vào bộ chuyển đổi

• Ví dụ ứng dụng: chuyển đổi nhiệt độ với hệ số chuyển đổi 10 Hz/ 0 C

VD cảm biến nhiệt độ

sử dụng bộ biến đổi điện áp-tần số AD537 của Analog Devices