Tiểu luận chương môn cơ sở Đo lường và Điều khiển số chương iii thích Ứng tín hiệu

Giới thiệu Trong các hệ thống đo lường và điều khiển số, các tín hiệu được đo lường thông qua cảm biến không được trực tiếp đưa vào các bộ quyết định tương tự hay bộ biến đổi ADC do nhữn

VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY UNIVERSITY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY

********

TIỂU LUẬN CHƯƠNG MÔN

CƠ SỞ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN SỐ

Mã lớp học : ELT 3207

Giảng viên : TS Phạm Duy Hưng

Nguyễn Đình Đức - 21020903

Hà Nội, 2024

MỤC LỤC

I Giới thiệu 3

II Thích ứng tín hiệu 3

1 Khái niệm 3

2 Phương pháp 3

III Mạch thích ứng tín hiệu 3

1 Khuếch đại thuật toán 3

1.1 Khuếch đại không đảo 3

1.2 Khuếch đại đảo 4

1.3 Khuếch đại lặp lại 4

1.4 Bộ so sánh 5

1.5 Khuếch đại tổng 5

1.6 Khuếch đại vi sai 5

1.7 Khuếch đại tích phân 6

1.8 Khuếch đại vi phân 6

1.9 Khuếch đại công cụ 6

2 Cầu Wheatstone 7

3 Mạch bảo vệ 8

3.1 Diode Zener 9

3.2 Cách ly quang 9

4 Mạch lọc 9

IV Ứng dụng thực tiễn 10

V Tổng kết 11

VI Tài liệu tham khảo 11

CHƯƠNG III: THÍCH ỨNG TÍN HIỆU

I Giới thiệu

Trong các hệ thống đo lường và điều khiển số, các tín hiệu được đo lường thông qua cảm biến không được trực tiếp đưa vào các bộ quyết định tương tự hay bộ biến đổi ADC do những tín hiệu thu được này thường chứa nhiễu hoặc biến đổi theo thời gian Do đó, việc xử lý và biếnđổi tín hiệu đóng vai trò quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ chính xáccủa hệ thống

II Thích ứng tín hiệu

1 Khái niệm

Thích ứng tín hiệu là làm cho tín hiệu phù hợp với tín hiệu của thiết bị tầng kế tiếp Trong hệ thống số, thiết bị tầng kế tiếp là bộ ADC

Các tín hiệu cần phải thích ứng tín hiệu trước khi đưa vào bộ ADC do tín hiệu có thể quá nhỏ, quá nhiễu khiến việc lượng tử hoá thiếu chính xác, quá nhạy khiến biến động nhỏ có thể gây lỗi lớn hay định dạng sai, không phù hợp với lối vào ADC, … Vì thế cần phải biến đổi các tín hiệu này sao cho phù hợp với lối vào ADC để hệ thống hoạt động một cách hiệu quả.

Hình 1: Cấu trúc thu nhập dữ liệu

2 Phương pháp

Thích ứng tín hiệu có thể là khuếch đại, suy giảm, loại bỏ rung, nhiễu hay mở rộng thang đo tín hiệu, những công việc này được thực hiện thông thông qua mạch thích ứng tín hiệu Mạch thích ứng tín hiệu có

nhiệm vụ biến đổi, gia công tín hiệu để phù hợp yêu cầu của hệ thống đo lường điều khiển.

III Mạch thích ứng tín hiệu

1 Khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật toán là một thành phần cơ bản trong module thích ứng tín hiệu Bộ khuếch đại cho phép biến đổi tín hiệu nhỏ ở đầu vào thành tín hiệu đầu ra lớn hơn từ đó độ nhạy của hệ thống được tăng lên

Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng có hệ số khuếch đại rất lớn, trở kháng lối vào lớn, trở kháng lối ra nhỏ

1.1 Khuếch đại không đảo

Khuếch đại tín hiệu đầu vào không đảo ngược pha, tránh hệ số khuếch đại âm khi sử dụng khuếch đại đảo

Trở kháng vào vô cùng lớn và trở kháng ra vô cùng nhỏ Lý tưởng cho các cảm biến có trở kháng nguồn cao do đó có thể bị ảnh hưởng bởi dòng điện của hệ thống DAQ.

Hình 2: Mạch khuếch đại không đảo

Công thức 1: Lối ra mạch khuếch đại không đảo

1.2 Khuếch đại đảo

Khuếch đại tín hiệu đầu vào đảo ngược pha, mạch thông dụng nhất trong thích ứng tín hiệu Mức đầu ra của cảm biến có thể được điều chỉnh

để phù hợp với mức cần thiết của hệ thống

Hình 3: Mạch khuếch đại đảo

Công thức 2: Lối ra mạch khuếch đại đảo

1.3 Khuếch đại lặp lại

Tín hiệu lấy ra từ cảm biến có công suất đẩu ra rất nhỏ, muốn khuếch đại được những tín hiệu vậy đồi hỏi điện trở đầu vào của bộ khuếch đại rất lớn để tạo điều kiện đó thường sử dụng mạch lặp lại ở đầu vào

Độ khuếch đại bằng 1, dùng để cách ly giữa các tầng mạch

Hình 4: Mạch khuếch đại lặp lại

Công thức 3: Lối ra mạch khuếch đại lặp lại

1.4 Bộ so sánh

So sánh hai tín hiệu điện áp và đưa ra tín hiệu đầu vào nhị phân (cao hoặc thấp) Mạch so sánh được sử dụng rất nhiều, có tác dụng phát hiện thời điểm bằng nhau của hai đại lượng vật lý Trong phương pháp đo kiểu

so sánh thường sử dụng mạch so sánh đẻ phát hiện thười điểm không của điện kế

Hình 5: Mạch so sánh

Công thức 4: Lối ra mạch so sánh

1.5 Khuếch đại tổng

Thực hiện cộng các tín hiệu với nhau, tổng hợp các tín hiệu đầu ra của nhiều cảm biến

Hình 6: Mạch khuếch đại tổng

Công thức 5: Lối ra mạch khuếch đại tổng

1.6 Khuếch đại vi sai

Thực hiện trừ 2 tín hiệu, được sử dụng để loại bỏ các điện áp offset không mong muốn có thể gây sai lệch tín hiệu

Hình 7: Mạch khuếch đại vi sai

Công thức 6: Lối ra mạch khuếch đại vi sai

1.7 Khuếch đại tích phân

Thực hiện tích phân, công việc quan trọng trong hệ thống Đầu ra tỉ lệ với tích phân của đầu vào

Khi tín hiệu vào thay đổi theo dạng bậc thang, đẩu ra sẽ có dạng tín hiệu tuyến tính

Khi tín hiệu vào là hình sin, mạch tích phân là một bộ lọc thông thấp

có hệ số khuếch đại tỉ lệ nghịch với tần số

Bộ tích phân lý tưởng: thỏa mãn điều kiện khi tín hiệu vào bằng 0 thì tín hiệu ra phải giữ nguyên không đổi

Hình 8: Mạch khuếch đại tích phân

Công thức 7: Lối ra mạch khuếch đại tích phân

1.8 Khuếch đại vi phân

Đầu ra tỉ lệ với vi phân đầu vào

Khi tín hiệu vào là hình sin thì bộ vi phân có tác dụng như bộ lọc cao tần, có hệ số khuếch đại tỉ lệ thuận với tần số của tín hiệu vào

\

Hình 9: Mạch khuếch đại vi phân

Công thức 8: Lối ra mạch khuếch đại vi phân

1.9 Khuếch đại công cụ

Khi tín hiệu vào mức vô cùng thấp và có nhiễu thì bộ khuếch đại vi sai không thể cho ra kết quả chính xác Bộ khuếch đại công cụ là giải pháp tối ưu cho trường hợp này

Yêu cầu:

+ Độ khuếch đại hữu hạn, chính xác và ổn định

+ Trở kháng đầu vào vô cùng lớn

+ Trở kháng đầu ra vô cùng nhỏ

+ Hệ số triệt tín hiệu đồng pha CMRR cực cao

Hình 10: Mạch khuếch đại công cụ

Công thức 9: Hệ số khuếch đại mạch khuếch đại công cụ

2 Cầu Wheatstone

Cầu điện trở Wheatstone là một trong những mạch thích ứng dữ liệu được sử dụng nhiều nhất Nó có thể được sử dụng để chuyển đổi sự thay đổi điện trở thành sự thay đổi điện áp

Hình 11: Cầu wheatstone

Để đạt trạng thái cân bằng thường phải điều chỉnh một trong các điện trở, quá trình tìm cân bằng là quá trình điều chỉnh để so sánh Va và VbĐiều kiện cân bằng là Vo = Vb - Va = 0

Công thức 10: Điện trở cân bằng

Dây bù nhiệt được sử dụng để giảm ảnh hưởng của việc kết nối với dâydẫn lên cảm nhận thực của cảm biến điện trở do ảnh hưởng của môi trường.

Nếu độ lớn của điện trở R1 bằng

R3 và dây dẫn có cùng kích thước,

cùng loại thì tác động của dây dẫn

có thể được bỏ qua Hình 12: Sử dụng dây bù nhiệt

quá dòng giúp bảo vệ linh kiện khi dòng điện quá mức.

+ Cầu chì bị đứt nếu dòng điện vượt quá mức an toàn, được sử dụng để ngắt mạch trong trường hợp ngắn mạch hay quá tải dòng

+ Mạch diode Zener để bảo vệ chống điện áp cao và sai cực tính, giới hạn mức điện áp đầu vào ở một giá trị nhất định

+ Cách ly quang để cô lập hoàn toàn mạch, ngăn chặn sự truyền nhiễu

và chống lại sự khác biệt về mặt điện áp đất

Hình 12: Mạch sử dụng Diode Zener

3.2 Cách ly quang

Hoạt động giống như role

Được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện áp cao; điều khiển motor.Cách ly tuyệt đối nhiễu vì các chuyển mạch được cách lý về điện.Loại bỏ nhu cầu đất chung

4 Mạch lọc

Được sử dụng để loại bỏ nhiễu cải thiện chất lượng tín hiệu, đảm bảo chỉ cho phép các thành phần tín hiệu mong muốn được thông qua để hệ thống đo lường và điều khiển có thể hoạt động chính xác và ổn định

Các khái niệm:

+ Lọc là quá trình loại bỏ các tần số nhất định từ một tín hiệu và cho phép các tần số khác được truyền qua

+ Dải truyền (pass-band): là dải tần số được phép truyền qua

+ Dải chặn (Stop-band): là dải tần không được phép truyền qua

+ Tần số cắt (Cut-off frequency): tần số biên giữa chặn và thông, xác định bởi điện áp lối ra ~70.7% (1⁄ 2) điện áp khi thông (cỡ 3dB =

+ Lọc chặn dải: chặn tín hiệu thuộc một dải tần số cụ thể và cho phép các tín hiệu còn lại truyền qua.

Hình 13: (a) Lọc thông thấp (Low-pass filter) (b) Lọc thông cao (High-pass filter) (c) Lọc thông dải (Band-pass filter) (d) Lọc chặn dải (Band-stop filter)

+ Bộ lọc thụ động: chỉ sử dụng các linh kiện thụ động gồm điện trở, tụ điện và cuộn cảm Thiết kế đơn giản nhưng có hiệu suất thấp hơn

+ Bộ lọc tích cực: sử dụng bộ khuếch đại thuật toán, có khả năng khuếchđại tín hiệu, cung cấp hiệu suất cao hơn

IV Ứng dụng thực tiễn

Vòng điều khiển 4-20mA là một tiêu chuẩn phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, đây là một phương thức truyền tín hiệu tương tự (analog) giữa các cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị đo, giúp đảm bảo tính ổn định và độ chính xác trong các ứng dụng công nghiệp 4mA là giátrị “0” (zero-scale) và 20mA là giá trị “tối đa” (full-scale), zero-scale khác 0 cho phép hệ thống phát hiện mạch hở khi giá trị thu được là 0mA Tín hiệu truyền là tín hiệu dòng giúp giảm ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở của dây cáp và các yếu tố khác

Thích ứng tín hiệu là một phân đoạn quan trọng trong việc duy trì và thiết lập vòng điều khiển 4-20mA Nó đảm bảo rằng các tín hiệu từ cảm biến hoặc các thiết bị đầu vào có thể được chuyển đổi và điều chỉnh để

phù hợp với yêu cầu của hệ thống điều khiển sử dụng vòng tín hiệu 4-20 mA.

VI Tài liệu tham khảo

[1] TS Phạm Duy Hưng, Bài giảng chương III: Thích ứng tín hiệu,

trường Đại học Công Nghệ ĐHQGHN, 2024

[2] Phạm Văn Tuân, Kỹ thuật đo lường tự động điều khiển, NXB Bách

Khoa Hà Nội, 2008