Bài 02 khuếch đại 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 2: Khuếch đại tín hiệu đo lường 3 1. Yêu cầu khuếch đại tín hiệu đo 2. Khuếch đại cách ly 3. Khuếch đại các tín hiệu nhỏ 4. Khuếch đại với trở kháng vào lớn1. Yêu cầu khuếch đại tín hiệu đoKhuếch đại tín hiệu  Khuếch đại, ngoài khuếch đại điện áp, còn cho phép cải thiện chất lượng của tín hiệu (tỷ số tín trên tạp).  Yêu cầu của BKĐ:  Hệ số khuếch đại Ku=Uout/Uin đủ lớn và ổn định  Trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ  Không gây ra méo.  Các loại méo do BKĐ:  Méo tần số (méo tuyến tính): Do tăng ích không đều ở mọi tần số trong tín hiệu. Yêu cầu để méo tuyến tính nhỏ:  Băng tần vừa đủ rộng  Tăng ích Ku đều cho mọi tần số trong băng tần.  Méo biên độ (méo phi tuyến): Do đặc tính truyền đạt phi tuyến  hài; thường xảy ra khi tín hiệu vào lớn  cần hạn chế tín hiệu vào bằng hồi tiếp âm 5Khuếch đại tín hiệu  Các tham số quan trọng của BKĐ:  Băng thông tần số (giải thông): giải tần trong đó HSKĐ Ku không giảm quá 3 dB  Tính động của BKĐ: tỷ số giữa tín hiệu nhỏ nhất và lớn nhất có thể phát hiện được (phụ thuộc mức tạp âm và trôi không) 6Khuếch đại vi sai  Tín hiệu vào được xử lý là sai khác giữa hai tín hiệu đầu vào:  Tín hiệu nhiễu ký sinh U là giống nhau cho cả hai đầu vào. Tín hiệu ra là: 7 Bộ khuếch đại vi sai U K U U out u    1 2  U K U U U U K U U out u u              1 2 1 2     Khuếch đại vi sai  Hệ số nén tín hiệu chung CMRR (Common Mode Rejection Ratio): Khả năng loại bỏ thành phần ký sinh chung. 8 K CMRR K     Định nghĩa hệ số nén tín hiệu CMR: CMR CMRR  20log  Điện áp đầu ra BKĐ khi tính tới CMR:   1 2  1 2  1 1 out U U U U K CMRR U U            Khuếch đại thuật toán (OpAmp)  Chỉ tiêu chất lượng của các bộ KĐTT:  Hệ số khuếch đại rất lớn (> 105)  Trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ  Hệ số sai số nhiệt nhỏ  Mức tạp âm nhỏ  Độ trôi 0 nhỏ  Hệ số CMRR lớn 9 Đầu vào không đảo Đầu vào đảo Bù Bù Sơ đồ mạch điển hình của KĐTT  Với hồi tiếp thích hợp, từ KĐTT có thể xây dựng: mạch KĐ điện áp, bộ nhân, cộng, tích phân, máy phát tín hiệu, mạch lọc ...Mạch KĐ điện áp dựa trên KĐ vi sai 10 Hai VD về bộ KĐ điện áp dựa trên KĐ vi saiKhuếch đại đo lường  Yêu cầu bộ KĐTT trong đo lường (bộ KĐ đo lường)  Hệ số khuếch đại lớn, chính xác và ổn định.  Hệ số CMMR nên lớn hơn 110 dB  Độ trôi 0 do nhiệt độ nhỏ hơn 1V/0C  Trở kháng vào lớn hơn 109   Dòng phân cực đầu vào nhỏ hơn 10 nA (đối với transistor lưỡng cực) hoặc 10 pA (đối với transistor trường)  Tạp âm dưới 10 nV/Hz  Sai số phi tuyến dưới 0,01% (có thể đạt tới 0,0001%)  Độ rộng băng tần không nhỏ hơn 100 kHz (có thể đạt được lớn hơn 100 MHz). 11Khuếch đại đo lường 12 Mạch khuếch dại đo lường điển hình2. Bộ khuếch đại cách ly 1. BKĐ cách ly dùng biến áp 2. BKĐ cách ly dùng tụ điện 3. BKĐ cách ly dùng truyền dẫn ánh sáng 4. BKĐ cách ly dùng từ trườngBộ khuếch đại cách ly Ứng dụng bộ KĐ cách ly để tách nguồn cung cấp và máy thu khi hiệu điện thế đất lớn 14 Tải • Nhiều trường hợp cần bảo đảm cách ly dòng điện một chiều giữa mạch vào và mạch ra. • Khi đo tín hiệu vi sai rất nhỏ bị chồng lên tín hiệu chung lớn. • Khi sai lệch lớn giữa điện thế đất của mạch vào và mạch ra (VD: trong các thiết bị y tế). • Khi mạch vào ở xa phần còn lại của mạch điện và hai phần này được cấp nguồn khác nhau. • Hệ số nén tín hiệu cách ly IMRR (Isolation Mode Rejection Ratio): IM out u in U U U K U CMRR IMRR          BKĐ cách ly dùng biến áp  Thiết bị cách ly là biến áp (không biến đổi tín hiệu DC).  Kết hợp bộ điều chế (biến đổi DC  AC) và bộ giải điều chế để khôi phục lại tín hiệu DC. 15 Điều chế Giải điều chế Lọc Bộ đệm Tạo dao động công suất 430KHz Nguồn DC cách ly BKĐ cách ly dùng biến áp của Analog DevicesBKĐ cách ly dùng tụ điện  Phần tử cách ly là tụ điện có giá trị điện dung cỡ 1 pF  Mạch tích phân tương tự - số A1 chuyển đổi thành tín hiệu vào thành AC  truyền qua tụ điện. Bộ khuếch đại tích phân A2. chuyển đổi tín hiệu AC lại thành DC. BKĐ cách ly dùng tụ điện của Texas Instrument 16BKĐ cách ly dùng truyền dẫn ánh sáng  Phần tử cách ly sử dụng truyền dẫn ánh sáng  Đi ốt LED D 3 chiếu sáng hai đi ốt thu quang đồng nhất D2 trong mạch ra (chuyển đổi dòng điện/điện áp) và D1 trong mạch vào (chuyển đổi điện áp/ dòng điện).  Đi ốt D 1 trong mạch hồi tiếp giảm thiểu sai số phi tuyến.  Do cả hai đi ốt bị chiếu sáng như nhau vì vậy I1=I2=Iin. BKĐ cách ly dùng truyền dẫn ánh sáng của Burr-Brown 17Bộ khuếch đại cách ly dùng từ trường  Dòng điện trong cuộn phẳng tạo ra từ trường được phát hiện bởi cảm biến điện trở từ (GMR - Giant Magnetoresistance).  Cảm biến GMR trong mạch hồi tiếp chỉ phát hiện sự tồn tại của từ trường  tính phi tuyến của GMR không ảnh hưởng đến tính tuyến tính của thiết bị. BKĐ cách ly dùng từ trường của Nonvolatile Electronics Inc. 183. Bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ 1. BKĐ tín hiệu DC rất nhỏ • BKĐ băm • BKĐ auto-zero 2. BKĐ tín hiệu AC rất nhỏ • BKĐ lock-inKhuếch đại tín hiệu DC có giá trị rất nhỏ  Vấn đề đối với KĐ các tín hiệu DC nhỏ: hiện tượng trôi 0 do nhiệt độ  Hai kỹ thuật khắc phục ảnh hưởng của trôi 0 do nhiệt độ:  Khuếch đại băm (hay KĐ biến điệu): Biến đổi DC thành AC (để tách trôi 0 DC với tín hiệu hữu ích AC)  KĐ tín hiệu AC  chuyển đổi trở lại DC.  Khuếch đại auto-zero: Bộ khuếch đại sẽ bị hủy kết nối theo chu kỳ khỏi đầu vào, khi đó đầu vào được ngắn mạch tới đất và thành phần 0 được bù. 20BKĐ băm Nguyên lý khuếch đại băm (chopper amplifier) 21  Tín hiệu vào bộ khuếch đại (với Uin là tín hiệu vào và tần số chuyển mạch là ω0)  Lọc bỏ các hài bậc cao, điện áp ra bộ khuếch đại là (với thành phần DC là U0 và trôi 0 là ∆U0) 2 0 0 0   2 2 2   1 1 1 1 2 cos 1 1 in 2 R R R e t u t t U U R R R                             1 0 0 0   1 2 2 2 cos cos3 cos5 ... e u t t t t     in       2 3 5      BKĐ băm Nguyên lý khuếch đại băm (chopper amplifier) 22  Thành phần DC bị chặn bởi tụ C, nên 3 0     2 1 2 cos in R e t u t t R            Sau chuyển mạch thứ hai e t e t t t 4 3 0 0             1 2 2 2 3   cos cos3 ...    Sau lọc     2 2 2 1 4 out in o R u t u t U R      Thành phần U02 là trôi 0 của bộ khuếch đại cuối cùng, có thể bỏ qua bởi khi được cộng vào tín hiệu đầu ra lớn.Nguyên lý khuếch đại băm (chopper amplifier) 23  Nhược điểm của BKĐ băm:  Độ rộng băng tần hạn chế  Khó thực hiện chế độ KĐ vi sai  Yêu cầu lọc tín hiệu BKĐ bămBKĐ băm Nguyên lý khuếch đại băm (chopper amplifier) 24  Nhược điểm của BKĐ băm:  Hạn chế độ rộng băng tần  Khó thực hiện KĐ vi sai  Yêu cầu lọc tín hiệuBKĐ auto-zero 25  Bước a: A đóng, A mở. BKĐ B được nối tới đầu vào, BKĐ A bị ngắn mạch.  BKĐ A chỉ khuếch đại tín hiệu lệch U0SA và đưa tới mạch hồi tiếp '' '' U K U U OA u OSA OA    '' 1 u OSA OA K U U     U’ OA nạp cho tụ CM1 Nguyên lý BKĐ auto-zeroBKĐ auto-zero 26  Bước b: A ngắt, B đóng. U NA là điện áp rơi trên tụ CM1 " U K U K U U OA u in u OSA NA      Điện áp ra của BKĐ A " 1 u OSA OA u in u OSA K U U K U K U       " 1 OSA OA u in U U K U           đóng góp của thành phần trôi 0 giảm (1+) Nguyên lý BKĐ auto-zero  Tín hiệu ra U K U K U U out u in u OSB NB    BKĐ auto-zero Nguyên lý BKĐ auto-zero 27  Do '''' U U NB A  0 nên 1 OSA out u in u OSB u in U U K U K U K U                1 u OSA out in u u u OSB K U U U K K K U          BKĐ có >1  K K u u   nên U K U K U U out u in u OSA OSB        Độ trôi 0 được KĐ theo hệ số nhỏ hơn  lần so với điện áp vào. Thành phần trôi 0 kết quả U0S là: OSA OSB OS U U U     Do  lớn nên thành phần trôi 0 giảm (còn cỡ nV) mà không hạn chế băng tần và có khả năng hoạt động ở chế độ vi sai:Khuếch đại tín hiệu AC có giá trị rất nhỏ  Vấn đề của BKĐ tín hiệu AC có giá trị rất nhỏ là mức tạp âm  Khắc phục: BKĐ chọn lọc (KĐ những tần số nhất định)  ít dùng trong đo lường do khó đảm bảo HSKĐ ổn định.  Sử dụng BKĐ lock-in: Chọn lọc bằng bộ tách sóng nhạy pha, chọn từ tín hiệu đầu vào chỉ những thành phần có cùng tần số và pha với điện áp tham chiếu. 28Khuếch đại tín hiệu AC có giá trị rất nhỏ 29 Lọc thông dải Lọc thông thấp Dịch pha Nguyên lý hoạt động của BKĐ lock-inỨng dụng của BKĐ lock-in 30 Dịch pha VD về ứng dụng của BKĐ lock-in a) Đo biến thiên nhỏ của điện trở (cầu đo biến dạng) b) Đo điện trở rất nhỏ (đồng hồ Micro Ohm) c) Đo hai thành phần của tín hiệu vec-tơỨng dụng của BKĐ lock-in 31 Mạch cầu sử dụng cảm biến độ biến dạng Bộ lọc • Nếu sự biến dạng  biến thiên tuần hoàn với tần số  thì sự biến thiên điện trở của cảm biến với hằng số K là: x sin x x m R x R K K t R        Ứng dụng của BKĐ lock-in 32 Mạch cầu sử dụng cảm biến độ biến dạng Bộ lọc • Điện áp đầu ra của mạch cầu có hệ số độ nhạy S được cấp nguồn bởi tín hiệu điện áp là: U U t 0 0   m sin U S R U SK U t t 1 0       x m om sin sin • Rút gọn: U U t t 1 1       m     cos cos       với: U SK U 1 0 m m m  Ứng dụng của BKĐ lock-in 33 Mạch cầu sử dụng cảm biến độ biến dạng Bộ lọc • Mạch cầu được cấp nguồn điện áp AC đóng vai trò bộ điều chế, biên độ của tín hiệu đầu ra có cùng tần số như điện áp nguồn cung cấp bị điều chế theo sự thay đổi của điện trở (và ứng suất). Bộ lọc Đặc tính phổ của các tín hiệuỨng dụng của BKĐ lock-in 34 Mạch cầu sử dụng cảm biến độ biến dạng Bộ lọc • Đặc tính truyền đạt của bộ tách sóng nhạy pha: • Do đó là một chuỗi U K U 2 1   u cos t 2 1 2 2 2 1 cos cos4 ... u 3 15 U K U t t              2 1 2 1 1 sin sin 2 sin 2 ...     u m 3 3 U K U t t t                   • Bộ tách sóng pha đóng vai trò chọn lọc  chỉ cần mắc bộ lọc thông thấp để khôi phục chính xác tín hiệu đo: 1 2 sin U K U t out u m   BKĐ lock-in số 35 • Nhược điểm của BKĐ lock-in tương tự: cần sử dụng bộ lọc thông thấp, dải động khá thấp, và độ rộng băng thông bị hạn chế (khoảng 1/5 tần số sóng mang). • Khắc phục bằng BKĐ lock-in số: tín hiệu đo và tín hiệu tham chiếu được chuyển đổi thành tín hiệu số và bộ tách sóng nhạy pha cũng là bộ tách sóng số.4. Khuếch đại với trở kháng vào rất lớn 1. BKĐ tín hiệu DC rất nhỏ • BKĐ băm • BKĐ auto-zero 2. BKĐ tín hiệu AC rất nhỏ • BKĐ lock-inYêu cầu về BKĐ có trở kháng vào rất lớn • Mặc dù BKĐ đo lường thường có trở kháng vào rất lớn (cỡ 1012 ), nhưng trong một số ứng dụng, trở kháng như vậy là chưa đủ lớn. Ví dụ: • Trong phép đo độ pH, cần phát hiện lưu lượng dòng giữa các điện cực có trở kháng cỡ hàng trăm M. • Bộ cảm biến áp điện khi bị nén sẽ tạo ra điện tích, điện tích chỉ có thể đo được khi không có lưu lượng dòng.  Cần các BKĐ có trở kháng vào cực lớn (được gọi là điện kế hoặc BKĐ điện tích)  Trở kháng vào từ hàng trăm TeraOhm (1 T=1012) tới 10 PentaOhm (1 P=1015)  Dòng đầu vào nhỏ hơn vài femtoampe (1 fA=10-15 A) tới 400 attoampe (1aA=10-18). 37Yêu cầu về BKĐ có trở kháng vào rất lớn  Có thể đạt được trở kháng vào rất lớn theo công nghệ đặc biệt (loại cách điện và kết nối đặc biệt) và sử dụng các mạch điện đặc biệt.  Do có trở kháng rất lớn, nên ta có thể sử dụng nguồn dòng điện, sau đó sử dụng bộ biến đổi dòng điện - điện áp cho các điện kế. 38BKĐ có trở kháng vào rất lớn 39 BKĐ với trở kháng vào lớn điển hình  BKĐ (a) đóng vai trò BCĐ dòng-áp với trở kháng vào phụ thuộc vào điện trở R. Hằng số thời gian phụ thuộc vào RC (đối với R lớn, cỡ vài giây)  mạch có đặc tính lọc thông thấp với tần số cắt nhỏBKĐ có trở kháng vào rất lớn 40 BKĐ với trở kháng vào lớn điển hình  BKĐ (b) là mạch khuếch đại có điều chỉnh, khắc phục nhược điểm. 2 2 2 1 1 1 1 out in in R R U I R R I R R R                           Do đó, có sự khuếch đại trở kháng vào với hệ số 1+ R R 2 1 /BKĐ có trở kháng vào rất lớn 41 BKĐ điện tích • Đối với mạch khuếch đại điện tích ta có thể viết:  Được bộ chuyển đổi điện tích khi bỏ qua tác động của điện dung của cáp nối C (khi tăng ích của bộ khuếch đại Ku đủ lớn). out F F u F   / Q Q U C C C K C    5. Khuếch đại hàm 1. BKĐ tín hiệu DC rất nhỏ • BKĐ băm • BKĐ auto-zero 2. BKĐ tín hiệu AC rất nhỏ • BKĐ lock-inBKĐ tích phân 43 BKĐ tích phân     0 0 0 1 1 t T out in t u t u t dt U R C       Sử dụng hồi tiếp thích hợp, ta có thể tạo ra nhiều đặc tính truyền đạt thực hiện các hàm toán học khác nhau như: tích phân, vi phân, logarith, nhân, chia, cộng, trừ … Nguyên lý hoạt động Mạch thực tế Đặc tính phổ  Với mạch tích phân lý tưởng  Khắc phục trôi 0 bằng điện trở R 2, điều chỉnh tần số cắt bằng R3 và R4. U 0 là điện áp trên tụ C trước khi tích phânBKĐ vi phân 44 BKĐ vi phân Nguyên lý hoạt động Mạch thực tế Đặc tính phổ  Với mạch vi phân lý tưởng  Khắc phục hiện tượng cổng hưởng ở tần số cao bằng u t R C out   1 du t in   các điện trở R3 và R4. dt  BKĐ loga 45 BKĐ loga Nguyên lý hoạt động Mạch thực tế  Mối liên hệ dạng hàm mũ của dòng collector của transistor theo điện áp UBE  Ứng dụng: Nén tín hiệu hoặc tuyến tính hóa đặc tính truyền đạt (khi đặc tính truyền đạt của cảm biến có dạng hàm mũ); sử dụng cho chuyển đổi rms / qU kT BE c es I I e  K - hằng số Boltzman, q - điện tích của điện tử, T - nhiệt độ và I es - dòng ngược qua mặt ghép emitor-bazơBKĐ loga 46 BKĐ loga Nguyên lý hoạt động Mạch thực tế  Đặc tính truyền đạt Uout=f(Uin):  Ta có biểu thức sau: ln in out es kT U U q RI   1 2 exp ref T out in T U q R U R U R kT R R         BKĐ hàm mũ 47 BKĐ loga Nguyên lý hoạt động Mạch thực tế  Đặc tính truyền đạt Uout=f(Uin):  Thao tác hàm mũ (đối loga) thu được từ biến đổi BKĐ loga. 1 2 exp ref T out in T U q R U R U R kT R R          Nhân hỗ dẫn Gillbert  Ưu điểm: dễ thực hiện trong mạch tích hợp (cùng bán dẫn như phần còn lại của mạch) Bộ nhân  Bộ nhân đóng vai trò rất quan trọng nhất trong xử lý tín hiệu tương tự, dùng để thực hiện các phép toán: nhân, chia, bình phương, căn bậc hai, các hàm lượng giác, tính RMS, tính công suất điện, điều chế và giải điều chế nhạy pha.  Hai kỹ thuật thực hiện bộ nhân: nhân hỗ dẫn Gilbert hoặc tính loga/đối loga. 48 I I I KU U    1 2 x y Bộ nhân hỗ dẫn Gillbert Điện áp UA  Giả sử K 1 = K2 = K Bộ nhân loga/đối loga 49 Bộ nhân log/đối loga A B 1 2 lg ; lg x y ref ref U U U K U K U U   C A B   lg x y 2 ref U U U U U K U      10 U K C / 3 x y out ref ref U U U U U    Bằng cách kết nối chân thích hợp của bộ nhân, ta có thể thực hiện các phép toán khác nhau. Bộ nhân loga/đối loga 50 Điện áp tham chiếu và phân cực Phần tử nhân theo nguyên lý translinear Suy hao 0.75 Bộ nhân Model 534 của Analog DevicesBộ nhân loga/đối loga 51 Một số ví dụ về ứng dụng bộ nhân Model 534 của Analog Bộ nhân Bộ chia Devices Bình phương - căn bậc hai Hiệu các bình phương Điều chế AM tuyến tính Cầu-tuyến tính hóaBộ nhân loga/đối loga 52 Một số ví dụ về ứng dụng bộ nhân Model 534 của Analog DevicesBiểu đồ hoạt động của bộ nhân loga/đối loga AD538 của Analog Devices Bộ đệmBộ cộng và bộ trừ 53 BKĐTT được sử dụng để cộng các tín hiệuBộ so sánh 54 Nguyên tắc hoạt động của bộ so sánh  Hàm so sánh: 1 0 0 0 out out U khi U U U khi U U                   Thực tế sẵn có các bộ so sánh với thời gian chuyển mạch cỡ ns.