Tóm tắt: Bài báo trình bày nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại đồng bộ (KĐĐB) hiện đại, phân tích các ứng dụng trong xử lý tín hiệu thiết bị bay, xây dựng mô hình mô [r]
(1)BỘ KHUẾCH ĐẠI ĐỒNG BỘ VÀ CÁC ỨNG DỤNG
TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU THIẾT BỊ BAY
Đỗ Tuấn Cương*, Trần Tuấn Nghĩa
Tóm tắt: Bài báo trình bày ngun lý hoạt động khuếch đại đồng (KĐĐB) đại, phân tích ứng dụng xử lý tín hiệu thiết bị bay, xây dựng mơ hình mơ để khảo sát đặc tính dạng chế độ hoạt động Trên cơ sở nghiên cứu mô phỏng, thiết kế, thử nghiệm mạch điện KĐĐB phục vụ thiết kế thiết bị nhạy pha kiểu 165-ПФ thiết bị kiểm tra 150-ПКH
Từ khóa: Thiết bị bay, Xử lý tín hiệu, Bộ khuếch đại đồng
1 MỞ ĐẦU
Bộ khuếch đại đồng (KĐĐB) sử dụng để phát đo tín hiệu xoay chiều (AC) nhỏ, tới cỡ vài nano vơn, chí bị bọc tạp lớn hàng nghìn lần Bộ KĐĐB sử dụng kỹ thuật biết tới tách sóng nhạy pha (TSNP) để lọc lấy thành phần tín hiệu tần số pha chuẩn định trước Tín hiệu, tạp tần số khác tần số chuẩn bị loại bỏ [1]
Tạp, thực tế, tồn toàn dải tần tín hiệu Các nghiên cứu cho thấy dải tần số biến đổi chậm, tạp chủ yếu từ nguồn nhiệt (tạp Johnson), dải tần cao nguồn tạp đến từ tạp ngắn, tạp 1/f , tạp trắng cường độ ổn định [2].Tạp ảnh hưởng mạnh tới chất lượng tín hiệu, vùng biến đổi chậm, yếu dải tần cao Tuy nhiên, phần lớn tín hiệu lại tần số thấp Để đấu tranh với tạp kỹ thuật thường áp dụng nguyên tắc chuyển dịch tín hiệu lên dải tần cao điều chế Để khơi phục tín hiệu, phía máy thu có hệ thống giải điều chế nhằm tách tín hiệu tần số điều chế, tạp tần số khác bị loại bỏ Bộ KĐĐB sử dụng cho mục đích
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Mơ tả tốn học KĐĐB
Cơ sở lý thuyết KĐĐB dựa lý thuyết hàm tương quan tín hiệu tuần hồn Bộ KĐĐB phát tín hiệu đo tham số sử dụng hàm tương quan, nhờ đó, tách tín hiệu nhỏ bị trùm hồn tồn tạp Hàm tương quan hai tín hiệu tuần hồn có dạng:
0
, sin sin
kT AB
R kT t t dt
kT
(1)Giới hạn tích phân kT, T chu kỳ tần số ω, k số nguyên để xác định thời gian tích phân hữu hạn Biểu thức (1) biểu thức giải thích nguyên lý KĐĐB Bộ KĐĐB xác định hàm tương quan R
Khảo sát chi tiết KĐĐB mặt kỹ thuật Giả sử tín hiệu vào KĐĐB dạng hình sin với A biên độ, f1 tần số, có tạp cộng thêm N(t) có dạng sau:
g t( )Asin(2f t1)N t( ) (2)
Các KĐĐB cấp tín hiệu chuẩn dạng xung vng có tần số f2 có nguồn
(2)
2
4
( ) sin[(2 1)(2 )]
n B
f t n f t
(3)Trong đó, B biên độ tín hiệu, n số bậc hài thành phần, f2 tần số tín
hiệu chuẩn dạng xung vng, φ dịch pha điều chỉnh từ người sử dụng bên KĐ đồng Q trình tách tín hiệu trộn hai tín hiệu với tín hiệu TSNP có dạng:
1 2
0
2
4
( ) sin(2 ) ( ) sin (2 1)(2 )
2
2
cos (2 1) ) (2 1) cos (2 1) ) (2 1)
2
4
( ) sin (2 1)(2 )
2
n
n n
n
B
U t A f t N t n f t n
AB AB
f n f t n f n f t n
n n
B
N t n f t
n
(4)Biểu thức (4) ước giản bằng biện pháp kỹ thuật sau Số hạng thứ hai chứa tổng tần số bị lọc qua lọc thơng thấp (LTT), xem hình
Hình 1. Sơ đồ khối KĐĐB
Nếu ta coi tín hiệu đồng tần số tức là f1=f2 Khi đóbiểu thức
U(t) ước giản sau:
0
2
( ) cos[4 (2 1) ] ( ) sin (2 1)(2 )
2
n n
AB B
U t n ft n N t n ft
n n
(5)Số hạng thứ hai biểu thức (5) chứa tạp, gây phức tạp cho xử lý Nếu tạp tín hiệu tần số đơn qua LTT Nếu tạp có dải tần số hài bậc cao tín hiệu cần đo đầu tạp tín hiệu chuẩn sau TSNP có mức DC phản ánh tới đầu KĐĐB sau qua LTT Điều dẫn tới tạp đầu tăng, thành phần hài đầu bị ảnh hưởng tăng dẫn tới khả nén tạp TSNP bị suy giảm Phương pháp xử lý thêm lọc dải trước TSNP để bỏ số hạng cuối (5) Khi (5) viết thành:
0
2
( ) cos[4 (2 1) ]
2
n AB
U t n ft n
n
(6) Tín hiệu từ TSNP sau qua LTT để loại bỏ thành phần tần số cao, tức ta quan tâm tới thành phần tín hiệu n=0, tới đầu KĐĐB tín hiệu DC cần nhận Khi từ Từ (6) ta có:U t( ) 2ABcos
(7)
Cơng thức (7) biến đổi tốn học KĐĐB chế độ đồng Nếu tín hiệu khơng đồng tần số, f1≠f2, KĐĐB hoạt động
(3)U t( ) 2ABcos ( 1 f f2)t
(8) Ta rút số kết luận sau KĐĐB:
Trong chế độ đồng ω1=ω2 (f1=f2):
Nếu biên độ B tín hiệu chuẩn cố định, φ=0 tín hiệu từ KĐĐB tín hiệu DC mà giá trị tỷ lệ tuyến tính với biên độ tín hiệu A: U(t)=k1A
với k1=(2B)/π;
Nếu tín hiệu cần đo tín hiệu chuẩn có góc lệch pha, biên độ tín hiệu A, B chuẩn hóa tín hiệu KĐĐB cịn tỷ lệ tuyến tính với cosin góc pha φ tín hiệu chuẩn: U(t)=k2cosφ với k2=(2AB)/π ;
Trong chế độ không đồng bộ, ω1≠ω2 điện áp tỷ lệ với biên độ cosin hiệu tần số
Căn vào phân tích trên, sơ đồ khối KĐĐB có dạng hình 2.2 Mô tả nguyên lý hoạt động, chế độ hoạt động KĐĐB
Nguyên lý hoạt động KĐĐB giải thích hình 2a Tới đầu vào tín hiệu điều chế thu tín hiệu chuẩn dạng xung vng Các tín hiệu cấp tới nhân làm việc khóa điện tử Có hai khóa điện tử M1, M2 Các khóa Mx điều khiển tín hiệu chuẩn đảo
Tín hiệu chuẩn điều khiển khóa Mx cho nối tới đầu vào mà tín hiệu thời điểm dương Khả xảy tín hiệu chuẩn đồng với tín hiệu đầu vào Góc dịch pha tín hiệu chuẩn tín hiệu vào φ Khi φ=0o, đầu khóa ta thu tín hiệu dạng chỉnh lưu hai bán kỳ, hình 2b Tiếp theo, tín hiệu qua lọc thông thấp (LTT) để làm phẳng điện áp chỉnh lưu Tại đầu lọc điện áp 2/πUc
(a) (b) (c)
Hình 2. Sơ đồ cấu trúc giải thích nguyên lý làm việc KĐĐB (a, b); Đặc tính tần số KĐĐB (c)
Nếu φ=180o tín hiệu thay đổi cực tính khóa cho qua điện áp âm Nếu φ= 90o khóa cho tín hiệu âm dương qua, hình 2b Tại đầu LTT tín hiệu khơng Phân tích sơ đồ với φ dẫn tới kết luận đầu LTT tín hiệu 2/π(Uccosφ) Đó tính chất phụ thuộc vào pha
KĐĐB Nó làm việc TSNP Nếu với KĐĐB cho cấp đầu tín hiệu 2/π(Uccosφ), sử dụng thêm khác giống
nhưng pha tín hiệu chuẩn dịch so với tín hiệu chuẩn thứ 90o, đầu KĐĐB thêm có tín hiệu 2/π(Ucsinφ) Nhờ vậy, KĐĐB có khả
(4)Ta xem xét hoạt động KĐĐB chế độ không đồng ω1 tần số
của tín hiệu đầu vào, ω2 tần số tín hiệu chuẩn, lệch pha hai tín hiệu
là φ=(ω1-ω2)t. Kết đầu KĐĐB thu tín hiệu xoay chiều
với tần số hiệu Trên hình 2c cho thấy đặc tính phổ KĐĐB [3] Các cộng hưởng quan sát thấy hiệu tần số tức ω1=ω2, tần
số 3ω2, 5ω2 … Phổ tín hiệu KĐĐB theo tần số gây khó khăn cho việc sử dụng KĐĐB Để khắc phục, trước KĐĐB phải có hệ thống chọn tần số (bộ lọc dải) để chế áp dải tần không mong muốn (hình 1)
Nếu KĐĐB làm việc chế động đồng bộ, tính chất chọn lọc xuất tín hiệu tách Bộ KĐĐB thường dùng chế độ đồng Để làm việc cần có tín hiệu chuẩn đồng kèm theo Trong chế độ không đồng bộ, đầu nhận tín hiệu hiệu tần số
3 ỨNG DỤNG BỘ KĐĐB TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU THIẾT BỊ BAY VÀ ĐO KIỂM THAM SỐ
Hai lý thực tế để sử dụng KĐ đồng kỹ thuật là: khả phát đo tín hiệu nhỏ nhiễu; để TSNP (khả thường sử dụng ứng dụng kỹ thuật điều khiển) Ứng dụng KĐĐB thiết bị (TB) bay đa dạng Ta khảo sát mơ hình khối tự động lái TB bay “I” [5], xem hình 3a, công cụ mô mạch điện Proteus Bộ KĐĐB làm việc chế độ không đồng Bộ KĐĐB có cấu trúc kinh điển (như hình 1) cấu tạo từ linh kiện điện tử Bộ nhân xây dựng vi mạch 820XA6 Mô cho vi mạch 820XA6 U1, bán dẫn Q1, Q2 linh kiện thụ động lân cận Bộ LTT U3
(a) (b)
Hình 3. Sơ đồ KĐĐB khối tự động lái TB bay Igla (a); Kết mơ hoạt động (trích hình ô xi lô) (b)
(a)
(b) (c)
(d)
(5)Mô hoạt động KĐĐB cấp tới đầu vào tín hiệu “Signal” 100 Hz, tín hiệu “Synch” 115 Hz (tia hình 3b) Hiệu 15 Hz đại diện cho tốc độ quay quanh thân TB bay Qua KĐĐB ta thu tín hiệu hình sin 15 Hz để điều khiển máy lái (tia hình 3b) Đây ví dụ điển hình ứng dụng KĐĐB điều khiển TB bay
Một ví dụ khác KĐĐB hoạt động chế độ đồng Sơ đồ hình KĐĐB khối УСС khí tài ZSU-23 [6] Sơ đồ gồm hai nhân Q1, Q3 Q2, Q4 điều khiển ngược pha Tín hiệu chúng cộng R12 Tín hiệu vào “Signal” tín hiệu đồng “Synch” có tần số 100 Hz Khi mơ phỏng, pha tín hiệu “Signal” so với “Synch” thay đổi Khi “Signal” “Synch” đồng pha ta có dạng sóng hình 4a, ngược pha, hình 4c, lệch pha 90o, hình 4d Tín hiệu KĐĐB khối УСС khí tài ZSU-23 hồn tồn phụ thuộc vào pha hai tín hiệu đầu vào
Để phát đo lường tín hiệu nhỏ, thiết bị dựa KĐĐB sử dụng Ví dụ thiết bị SR510 SR530 Stanford Research Systems (SRS), xem hình 5a Các thiết bị SRS để đo tín hiệu nhỏ, độc lập nên có cấu tạo phức tạp Thiết bị nhạy pha 165-ПФ nằm tổ hợp đo kín sử dụng để đo kiểm tham số khối điện tử cấu phóng tổ hợp TB bay, xem hình 5b, nên có cấu tạo đơn giản Kỹ thuật analog với mạnh xử lý tín hiệu cực nhỏ nên hai thiết bị dựa KĐĐB kiểu analog
(a)
(b)
Hình 5. Thiết bị SR510 SR530 SRS (a), thiết bị 165-ПФ giá thử 150-ПКH (b)
4 XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH CỦA BỘ KĐĐB VÀ MƠ PHỎNG 4.1 Xây dựng mơ hình Matlab Simulink mơ
4.1.1 Mơ hình Matlab Simulink KĐĐB
(6)hiệu sau LTT KĐ “Gain2” Khi tín hiệu tín hiệu chuẩn trùng pha (hình 5b), đầu nhân ta thu dạng tín hiệu “bát úp” dương Sau LTT ta có giá trị pha đo “+1” Khi pha tín hiệu đồng lệch 180o (hình 6c) đầu TSNP có tín hiệu dạng “bát úp” âm Sau LTT ta có giá trị pha đo “-1” Khi tín hiệu đồng lệch pha 90o, hình 6d, đầu TSNP ta thu tín hiệu AC dạng hình sin bị cắt pha 90o, qua LTT ta có tín hiệu “0”
(a) (b)
(c) (d)
Hình 6. Mơ hình Matlab Simulink KĐĐB (a); Kết mô làm việc KĐĐB: Khi tín hiệu tín hiệu chuẩn trùng pha (a); nghịch pha (b);
lệch pha 90o (c)
Kết luận: Với mơ hình KĐĐB hình 6a, kết mơ hình 6b,c,d, làm sáng tỏ nguyên lý hoạt động KĐĐB phân tích minh họa hình Với biên độ tín hiệu vào khơng đổi, giá trị tín hiệu tỷ lệ với độ lệch pha tín hiệu chuẩn tín hiệu vào
4.1.2 Mơ hình Matlab Simulink cải thiện
Từ mơ hình KĐĐB, ta xây dựng mơ hình KĐĐB để khảo sát khả tách tín hiệu nhỏ nhiễu gồm có: máy phát điều chế; KĐĐB máy đo, hình
(7)
(a) (b)
(c) (d)
Hình 8. Kết mơ mơ hình KĐĐB tín hiệu vào khơng nhiễu (a); tín hiệu vào có tạp mạnh (b); Phổ tín hiệu vào (c); phổ tín hiệu (d)
Máy phát phát tín hiệu điều chế biên độ-pha tín hiệu 100 Hz với sóng mang 10kHz Máy phát điều chế cộng thêm tạp trắng để khảo sát khả lọc nhiễu KĐĐB Dạng tín hiệu tạo giả có dạng hình 8a (tia2) khơng có tạp, hình 8b (tia2) cộng thêm tạp Bộ KĐĐB có cấu trúc hình 6a cịn có thêm mạch phối hợp đầu vào gồm LTT lọc thông cao (LTC), KĐ đầu vào, xem hình Để quan sát hoạt động KĐĐB ta ngồi máy sóng “Scope” cịn sử dụng thêm máy đo mật độ phổ “Average Power Spectral Density” để quan sát phổ tín hiệu đầu vào đầu Ta nối tín hiệu đầu vào gốc tới tia 1, tín hiệu máy phát điều chế tới tia 2, tín hiệu sau TSNP KĐĐB tới tia tín hiệu KĐĐB tới tia máy sóng “Scope” Nối đầu máy phát điều chế KĐĐB tới máy đo mật độ phổ Ta tiến hành mô Kết mô thể hình 8a,b,c,d