Ch 4: Xử l ý tín hi ệ u ý ệ Bộ ử lý tí hiệ óhứ ă là h ể đổi ộttí • Bộ x ử lý tí n hiệ u c ó c hứ c n ă ng là c h uy ể n đổi m ột tí n 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 nhi ễu); t uyế n tính h óa; l ấy m ẫu; c h uyể n đổ i tín hi ệu t ươ n g ễu); uyế óa; ấy ẫu; c uyể đổ ệu ươ g tư sang tín hiệu số và ngược lại. •Bộ khuếch đại thuật toán là phần tử căn bản trong các h ử lý tí hiệ © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-1 mạc h x ử lý tí n hiệ u 4.1. Bộ khuếch đại thuật toán ( Op- A mp ) ( ) Đ ặc tính của một O p -am p l ý tưởn g p pý g Op-amp là một mạch khuếch đại tuyến tính với : hệ ố kh ế h đ i hhở ấtlớ A 100000+ - hệ s ố kh u ế c h đ ạ i mạc h hở r ất lớ n: A = 100000+ -trở kháng vào lớn: R in > 1 MΩ - trở kháng ra thấp: R = 50 - 75 Ω - trở kháng ra thấp: R out 50 - 75 Ω v = A (v v ) v = 08 V cc © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-2 v ou t = A (v 2 – v 1 ) v sa t = 0 . 8 V cc 4.1. Bộ khuếch đại thuật toán ( Op- A mp ) ( ) Xét hệ số khuếch đại A = 100000 © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-3 4.1. Bộ khuếch đại thuật toán ( Op- A mp ) ( ) 5 giả thiết về đặc tính làm việc lý tưởng của Op-amp trong vùng làm việc tuyến tính •Hệ số khuếch đại vô cùng lớn, A = ∞ ⇒ v 1 = v 2 •Trở kháng vào vô cùng lớn: R in = ∞ ⇒ i 1 = i 2 = 0 • Trở kháng ra vô cùng bé: R = 0 • Trở kháng ra vô cùng bé: R out = 0 ⇒ Không tiêu hao năng lượng • Băng thông vô cùng lớn ⇒ Không giới hạn tần số làm việc • Đường đặc tuyến luôn đi qua điểm gốc tọa độ ⇒ V = 0 (khi v = v ) ⇒ V out = 0 (khi v 1 = v 2 ) Đặc tính làm việc của các mạch Op-amp ứng dụng (hệ số khuếch đại, trở kháng, và đáp ứ n g tầ n số) đều được x ác đị nh bở i các linh ki ệ n (đ i ệ n t r ở, tụ đ i ệ n ) được n ố i t r o n g m ạc h. © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-4 ứ gtầ số) đều đượcácđị bở các ệ (đ ệ t ở,tụ đ ệ ) được ố to g ạc 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản • Mạch so sánh © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-5 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-6 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-7 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản • Mạch lặp điện áp © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-8 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản • Mạch khuếch đại đảo ầ ấ Thí dụ: một ph ầ n tử đo sơ c ấ p 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 ế ế ể k ế mạch khu ế ch đại đảo đ ể tạo ra một tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến -5 V. Giải: Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50 Ch Ch ọn Lưu ý : g iá tr ị của R i thườn g đư ợ c ch ọ n sao cho: © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-9 ýg ị i g ợ ọ 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản • Mạch khuếch đại không đảo ầ ấ Thí dụ: một ph ầ n tử đo sơ c ấ p 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 ế ế ể k ế mạch khu ế ch đại không đảo đ ể tạo ra một tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 5 V. Giải: Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50 Ch Ch ọn Lưu ý : g iá tr ị của R i và R f thườn g đư ợ c ch ọ n sao cho: © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-10 ýg ị i f g ợ ọ 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản • Mạch tổng Nế Thí dụ : Theo thước đovề sự thoảimái hệ thống điều hòa củamộttòanhàsẽ hoạt động Nế u Thí 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 kết nối tín hiệu của hai bộ cảmbiếnvớihệ thống điều hòa © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-11 của hai bộ cảm biến với hệ thống điều hòa . 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản 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 © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-12 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản • Mạch khuếch đại vi sai Nếu và © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-13 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản • 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 V ớ i bộ l ặp l ạ i đ i ệ n 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 giữanguồn tín hiệuvớicácgiátrị điệntrở R R © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-14 • Cách ly giữa nguồn tín hiệu với các giá trị điện trở R a , R f … 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-15 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản • Mạch tích phân © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-16 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản Thí dụ: Tín hiệu hằng số 100 mV áp vào một mạch tích phân. Mạch có trở kháng là 10 kΩ và điện dung là 1 µF. •Xác định biểu thức của tín hiệu ngõ ra ở thời điểm t 2 . •Nếu t 1 = 5 s và v ou t (t 1 ) = +10 V, xác định thời điểm t 2 khi Op-amp đạt đến trạng thái bảo hòa (ở giá trị -16 V). Giải: © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-17 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản • Mạch vi phân © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-18 4.2. Các mạch Op- A mp cơ bản • 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 àóđặ tí h lt hi t ế tử m à c ó đặ c tí n h vo lt -ampere p hi t uy ế n. Mạch tạo hàm căn bậc hai © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-19 4.3. Xử l ý tín hiệu tươn g tự ý g • Cách ly và biến đổi trở kháng -Bảo toàn tín hiệu được đo. -Bảo vệ thiết bị đo Optical coupling © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 4-20 Transformer coupling [...]... mV Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 55 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật đếm nhị phân © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 56 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 57 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật gần đúng liên tiếp © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 58 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển. .. hiệu số ý © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 59 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật đường dốc đơn © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 60 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 61 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật đường dốc kép © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 62 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý - Tốc độ chuyển... dãy (band-pass filter) bộ lọc chắn dãy (band-stop filter) Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 29 4. 3 Xử lý tín hiệu tương tự ý g Bộ lọc thông thấp Mạch lọc thụ động Mạch lọc tích cực © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 30 4. 3 Xử lý tín hiệu tương tự ý g Mạch lọc tích cực hai tầng © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 31 4. 3 Xử lý tín hiệu tương tự ý g Thí dụ: Xét mạch lọc tích cực 2 tầng với hằng số... Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 36 4. 3 Xử lý tín hiệu tương tự ý g Hệ thống decibels rất tiện lợi trong việc tính hệ số khuếch đại của cả hệ thống Lưu ý: © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 37 4. 3 Xử lý tín hiệu tương tự ý g Q cm 0 0 0 10 1 1 10 20 4 4 20 30 9 9 30 40 16 16 40 50 25 25 50 60 36 36 60 70 49 49 70 80 64 64 80 90 81 81 90 100 © C.B Pham ∆P 0 • Tuyến tính hóa ∆P 100 100 100 Kỹ thuật. .. © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 50 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý • Chuyển đổi dữ liệu (số - tương tự) y ệ ( g ự) Lưu ý: khi n càng lớn, vomax tiến dần đến vFS © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 51 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý Bộ chuyển đổi số - tương tự - kiểu tầng điện trở (stepped resistor) © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 52 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý Bộ chuyển đổi số - tương tự - kiểu mạng... liệu • Lấy mẫu ấ ẫ - Để rút ra những thông tin quan trọng của tín hiệu được đo (tín hiệu tương tự) - Với những thông tin đã có, bộ điều khiển số có thể xử lý và tái tạo lại tín hiệu gốc ban đầu © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 41 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 42 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý Mạch lấy mẫu và giữ - Để lấy mẫu, công tắc được đóng lại trong một khoảng... Bộ chuyển đổi số - tương tự - kiểu mạng R-2R (R-2R network) © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 53 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý • Chuyển đổi dữ liệu (tương tự - số) y ệ ( g ự ) © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 54 4.3 Xử lý tín hiệu số ý Bits (n) ( ) Resolution, Q (vFS = 10) , ( ) 2 2.5 4 0.625 0 625 8 0.039 12 0.00 24 0 00 24 16 0.15 10-3 18 0.0381 3 0 0381 10-3 Bits (n) Error (eQ = ± Q/2) 100... khoảng thời g g g gian này, tụ y ụ - Thời gian công tắc đóng lại (t) được xác định như sau ( có thể nạp đến 99% giá trị Vin) © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 43 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý © C.B Pham Kỹ hưởng của tần số động Ảnh thuật điều khiển tựlấy mẫu 4- 44 4.3 Xử lý tín hiệu số ý 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... thành phần có tần số thấp hơn (tần số bí danh) © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 45 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý 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 ầ ố hơn fN thông qua biểu đồ xếp © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 46 4. 3 Xử lý tín hiệu số ý Thí dụ: Một tín hiệu dao động 10 Hz được lấy mẫu ở tần số 12 Hz Hãy cho biết với... giá trị điện trở R khi tụ điện C trong mạch RC có giá trị 10 µF Giải: Giải © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 34 4.3 Xử lý tín hiệu tương tự ý g Bộ lọc thông cao / thông dãy / chắn dãy Mạch lọc chắn dãy Mạch lọc thông cao Mạch lọc thông dãy © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 4- 35 4. 3 Xử lý tín hiệu tương tự ý g Decibels (db) Hệ số của các mạch khuếch đại và mạch lọc thường được biễu diễn ở . Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 4- 6 4. 2. Các mạch Op- A mp cơ bản © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 4- 7 4. 2. Các mạch Op- A mp cơ bản • Mạch lặp điện áp © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 4- 8 4. 2 bằng) . © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 4- 27 4. 3. Xử l ý tín hiệu tươn g tự ý g Ta có: Đặt: và © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 4- 28 4. 3. Xử l ý tín hiệu tươn g tự ý g • Chống nhiễu -Các. filter) © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 4- 29 4. 3. Xử l ý tín hiệu tươn g tự ý g Bộ lọc thông thấp Mạch lọc thụ động Mạch lọc tích cực © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 4- 30 4. 3. Xử l ý tín