Bài 1 gia công tín hiệu đo lường

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG * HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰTài 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. 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 AC/DC 4. Chuyển đổi điện áp – tần số1. 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? 52. Gia công tín hiệu• Gia công tín hiệu (hay chuẩn hóa tín hiệu - Signal conditioning): biến đổi tín hiệu từ dạng 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 7• Thu nhận dữ liệu (Data Acquisition): trộn tín hiệu vào, chuyển đổi về dạng số và truyền tới giao diện máy tính • VD: PCI hoặc USB  Chuyển đổi tín hiệu: biến đổi tín hiệu từ dạng này sang dạng khác  VD: Biến đổi A/D hoặc biến đổi AC/DC  Khôi phục tín hiệu: phục hồi hoặc cải thiện chất lượng tín hiệu  VD: loại bỏ ảnh hưởng của tạp âm 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 ...).  Cách ly tín hiệu: tách (vật lý) các mạch vào và mạch ra.  Lọc tín hiệu: chỉ truyền tới đầu ra các thành phần hài đã chọn từ tín hiệu vào. Các hoạt động gia công tín hiệu (tt) 9 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).  Điều chế tín hiệu:  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) 10Các kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường  Xử lý tương tự tín hiệu đo lường  Thích hợp cho xử lý ban đầu (VD: khuếch đại)  Xử lý số tín hiệu đo lường  Ít chịu ảnh hưởng của nhiễu  Dễ truyền và lưu giữ  Dễ thực hiện các tính toán  Thích hợp với các hệ thống tính toán  Hai kỹ thuật trên bổ sung cho nhau 11Phân loại tín hiệu đo lường  Tín hiệu tất định và tín hiệu ngẫu nhiên  Tất định: có thể dự đoán với một độ chắc chắn tuyệt đối và có thể tái tạo.  Ngẫu nhiên: chỉ có thể ước lượng với một xác suất nào đó.  Tín hiệu một chiều (DC) và tín hiệu xoay chiều (AC)  DC: được mô tả bởi một tham số giá trị  AC: được mô tả bởi nhiều tham số  Các giá trị: tức thời u(t); biên độ Um hoặc đỉnh Up; đỉnh-đỉnh (Upp); trung bình (U0), trung bình chỉnh lưu (Uav); hiệu dụng Urms  Tần số f (hoặc ω = 2πf hoặc chu kỳ T = 1/f); pha ϕ 1213/30 Các giá trị đặc trưng cho điện áp xoay chiều 0 0 0 1 ( ) t T t U u t dt T    0 0 1 2 ( ) t T rms t U u t dt T    Giá trị biên độ đỉnh-đỉnh Giá trị biên độ Tín hiệu điện áp u t U t ( ) sin   m    Các tham số chính 0 0 1 ( ) t T av t U u t dt T    Với tín hiệu hình sin: U 0 = 0 U av = 0,637Um U rms = 0,707 Um U pp = 2 Um 1314/30 Phân tích tín hiệu AC trên miền tần số và miền thời gian Sử dụng biến đổi Fourier ( ) ( ) 1 2 x t X e d   j t       X x t e dt ( ) ( )  j t       Tín hiệu tuần hoàn không sin có thể mô tả bởi tổng các hài 0 0 0 0 1 ( ) 2 ( ) ( ) k k x t a a k t b k t         cos sin với 1 1 0 1 ( ) t T t a x t dt T    1 1 0 1 ( ) ( ) t T k t a x t k t dt T     cos 1 1 0 1 ( ) ( ) t T k t b x t k t dt T     sin 1415/30 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 hàm mũ phức ( ) n jk t 0 với k x t c e      0 0 0 1 ( ) t T jk t n t c x t e dt T      Hệ số méo của tín hiệu không sin 2 2 2 2 3 1 ... n U U U h U     Với tín hiệu không tuần hoàn, sử dụng tích phân Fourier thay cho chuỗi Fourier X f x t e dt ( ) ( ) j t       15Biểu diễn Fourier các tín hiệu điển hình Biểu diễn Fourier của các tín hiệu điển hình 16Biểu diễn phổ của tín hiệu 17 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 18Chuẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảm kháng (tt) 19 a) Với trở kháng nối tới Rx rất lớn U I R out x  w b) Với trở kháng nối tới Rx hữu hạn 1 1 out x x R U U U R R R R     w w w w w 0 0 0 0 x x x x x (1 ) (1 ) x R x R R R R R R          U U out out   0(1 )  Hạn chế: Uout= f(Rx) không xuất phát từ 0 (do Rx 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 tuyếnChuẩn 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 xo R U S S R     • 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 ngoài) BCĐ điện trở-điện áp sử dụng mạch cầu không cân bằng 21 Mạch cầu kiểu lệch x out xo R U S S R      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: Uout=Ku(U1-U2).  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 saiBCĐ 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) b) Cấp nguồn AC 23 Mạch cầu cân bằng với 4 cảm biến, cấp nguồn DC Mạch cầu cân bằng với 4 cảm biến, cấp nguồn ACBCĐ sử dụng bộ tách sóng nhạy pha Bộ cảm biến dịch chuyển sử dụng bộ tách sóng nhạy pha (PD) ở đầu ra. U’ out – đặc tính khi không sử dụng PD; U”out – đặc tính khi sử dụng PD 24 • Khi phần tử sắt động ở vị trí giữa  điện cảm L1 và L2 là như nhau  cầu cân bằng. • Khi dịch chuyển phần tử sắt, một điện cảm tăng, còn một điện cảm giảm. Tín hiệu đầu ra của mạch sẽ tỷ lệ với độ dịch chuyểnBCĐ 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 25 a) b)  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/

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG Mai Quốc Khánh Nguyễn Hùng An Học viện KTQS 06/2019 * Tài liệu tham khảo Xử lý tín hiệu đo lường (Tập giảng), Mai Quốc Khánh, Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019 Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, năm 2019 Bài 1: Gia cơng tín hiệu đo lường Các tín hiệu đo lường tương tự Gia cơng tín hiệu đo lường Chuyển đổi AC/DC Chuyển đổi điện áp – tần số Các tín hiệu đo lường tương tự Tại cần xử lý bổ xung với tín hiệu đo lường? • Thơng tin đo lường thường xử lý dạng tín hiệu đo lường • Tín hiệu đo lường điện tín hiệu điện biến thiên theo thời gian để biểu diễn giá trị đo • 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 xử lý bổ sung Gia cơng tín hiệu Mục đích gia cơng tín hiệu • Gia cơng tín hiệu (hay chuẩn hóa tín hiệu - Signal conditioning): biến đổi tín hiệu từ dạng sơ cấp dạng thuận tiện cho xử lý • VD: biến đổi thay đổi điện trở cảm biến điện trở nhiệt thành thay đổi điện áp • Thơng thường, mạch chuẩn hóa tín hiệu cho phép hiệu chỉnh tăng cường tuyến tính • Biến đổi tín hiệu cảm biến dạng cuối (bao gồm: khuếch đại, biến đổi giao diện chuẩn) Các hoạt động gia cơng tín hiệu • Thu nhận liệu (Data Acquisition): trộn tín hiệu vào, chuyển đổi dạng số truyền tới giao diện máy tính • VD: PCI USB  Chuyển đổi tín hiệu: biến đổi tín hiệu từ dạng sang dạng khác  VD: Biến đổi A/D biến đổi AC/DC  Khơi phục tín hiệu: phục hồi cải thiện chất lượng tín hiệu  VD: loại bỏ ảnh hưởng tạp âm Các hoạt động gia cơng tín hiệu (tt) • Khuếch đại tín hiệu: tăng giá trị tín hiệu bảo tồn tham số khác (VD: băng thơng tần số, dạng sóng )  Cách ly tín hiệu: tách (vật lý) mạch vào mạch  Lọc tín hiệu: truyền tới đầu thành phần hài chọn từ tín hiệu vào Các hoạt động gia cơng tín hiệu (tt)  Hòa hợp tín hiệu: chuyển đổi tín hiệu từ dạng tùy ý dạng chuẩn (hoặc dạng thông dụng)  VD: biến đổi tín hiệu đo tín hiệu ± 5V (chấp nhận hầu hết mạch số)  Điều chế tín hiệu:  VD: biến đổi tín hiệu đo thành tín hiệu cao tần với tham số (biên độ, tần số, pha) thay đổi theo thông tin đo lường 10 Chuyển đổi RMS tín hiệu AC thành DC (tt)  Nguyên tắc chuyển đổi RMS đơn khối Analog Devices Giá trị tuyệt đối chuyển đổi U/I Bình phương Chia Bộ lọc Gương dòng điện Chuyển đổi “True” RMS sử dụng nhân AD636 Analog Devices 32 Chuyển đổi RMS tín hiệu AC thành DC (tt) Gương dòng điện Giá trị tuyệt đối chuyển đổ U/I Bình phương Chia Mạch đơn giản chuyển đổi RMS AD636 Analog Device 33 Chuyển đổi RMS tín hiệu AC thành DC (tt) Chỉnh lưu Bình phương Chia Gương dòng điện Bộ đệm Thiết kế vôn mét TrueRMS Analog Devices 34 Chuyển đổi RMS thành DC (tt) Chỉnh lưu toàn sóng Loga bình phương Chia Đối loga Lọc Ngun lý hoạt động biến đổi rms AD637 Analog Devices 1) log U in tương đương với log U in2 2) log U in  log U out tương đương với log(U in2 / U out ) 3) anti log(U in2 / U out )  U in2 / U out 4) U in2 / U out 5) U out = U in2 / U out 35 Chuyển đổi RMS tín hiệu AC thành DC (tt) Bộ biến đổi RMS dựa hiệu ứng nhiệt (Linear Technology)  Áp dụng định nghĩa vật lý giá trị hiệu dụng: Giá trị hiệu dụng (RMS) dòng điện AC với giá trị dòng điện DC với điện trở R thời gian chu kỳ gây xạ giá trị nhiệt  Ưu điểm: Cho phép chuyển đổi AC/DC băng thông lớn (tới 300 MHz) với hệ số đỉnh lớn 36 Chuyển đổi RMS tín hiệu AC thành DC (tt) Tham số biến đổi true RMS điển hình Mơ hình Nhà sản xuất Sai số cực đại chuyển đổi Băng thông Hệ số đỉnh AD636 Analog Devices mV ± 0,5%rdg 450 kHz AD637 Analog Devices mV ± 0,5%rdg MHz 10 AD737 Analog Devices 0,2 mV ± 0,5%rdg 190 kHz LH0091 National Semic 0,5 mV ± 0,05%rdg 800 kHz 10 LT1088 Linear Techn 0,01 FS 300 MHz 50 37 Chuyển đổi giá trị đỉnh AC thành DC Nguyên tắc hoạt động chuyển đổi giá trị đỉnh  Điện áp chỉnh lưu đưa tới C  Nếu số thời gian mạch RC (mạch nạp phóng) thiết kế cho q trình nạp nhanh, q trình phóng chậm điện áp tụ với giá trị đỉnh điện áp nguồn cung cấp 38 Chuyển đổi giá trị đỉnh AC thành DC (tt) (a) BCĐ giá trị đỉnh (b) BCĐ giá trị đỉnh - đỉnh  BCĐ giá trị đỉnh: C1 nạp tới giá trị đỉnh Mạch hồi tiếp (R1 D1) bảo vệ khuếch đại khỏi bão hòa UinUx 41 Bộ chỉnh lưu nhạy pha (tt) Hai chỉnh lưu nhạy pha chu kỳ  Bộ chỉnh lưu nhạy pha dùng transistor: transistor dùng làm chuyển mạch nhạy pha  Cả UBE UBC phân cực thích hợp Giá trị trung bình dòng colector phụ thuộc vào dịch pha điện áp UBE UBC  Ưu điểm chỉnh lưu nhạy pha dùng ốt transistor: không cần sử dụng thêm điện áp nguồn cung cấp.42 Bộ chỉnh lưu nhạy pha (tt) Bộ chỉnh lưu nhạy pha dùng khuếch đại thuật toán  Bộ chỉnh lưu nhạy pha sử dụng khuếch đại thuật toán cho chất lượng tốt chỉnh lưu dùng ốt transistor  Trong trường hợp này, đầu vào mạch nối tới điện áp tham chiếu Uref 43 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 nhiễu (so với tín hiệu biến thiên theo biên độ) • Tần số đo dễ dàng với độ xác cao Bộ biến đổi điện áp/tần số  Tần số tín hiệu đầu phụ thuộc vào biên độ điện áp đầu vào U in f  RCU r ef 45 Bộ biến đổi điện áp/tần số (tt) VD cảm biến nhiệt độ sử dụng biến đổi điện áp-tần số AD537 Analog Devices • Chuyển đổi điện áp - tần số lên tới 100 kHz với sai số phi tuyến nhỏ 0,05% • Hệ số chuyển đổi K=Uin/f thiết lập cách mắc điện trở R tụ C bên với giá trị thích hợp vào chuyển đổi • Ví dụ ứng dụng: chuyển đổi nhiệt độ với hệ số chuyển đổi 10 Hz/0C 46 ... học kỹ thuật, năm 2 019 Bài 1: Gia cơng tín hiệu đo lường Các tín hiệu đo lường tương tự Gia cơng tín hiệu đo lường Chuyển đổi AC/DC Chuyển đổi điện áp – tần số Các tín hiệu đo lường tương tự Tại... với tín hiệu đo lường? • Thơng tin đo lường thường xử lý dạng tín hiệu đo lường • Tín hiệu đo lường điện tín hiệu điện biến thiên theo thời gian để biểu diễn giá trị đo • Các tham số tín hiệu. .. chế tín hiệu:  VD: biến đổi tín hiệu đo thành tín hiệu cao tần với tham số (biên độ, tần số, pha) thay đổi theo thông tin đo lường 10 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường  Xử lý tương tự tín hiệu