Chuong3 ChuyendoiADC DAC

10/10/2013 3.0 Giao tiếp tín hiệu tương tự với máy tính: Trường Đại học Cơng nghiệpTp.HCM Khoa Cơng nghệ Điện tử Bộ môn Điện tử tự động Bài giảng Đo lường điều khiển máy tính Chương 3:Chuyển đổi A/D D/A (Xử lý tín hiệu) Biên soạn: ThS Huỳnh Minh ngọc ĐT: 0903694384, email: huynhminhngoc@hui.edu.vn 10/10/2013 10/10/2013 3.1.Lấy mẫu tín hiệu tương tự: • Chúng ta thấy chương hệ thống,mục hệ rời rạc thời gian , tín hiệu tương tự đượcđọc liên tục vào máy tính,nhưng nạp vào khoảng thời gian Như vậy, tín hiệu thể máy tính chuỗi giá trị rời rạc Hoạt động đọc tín hiệu khoảng thời gian xác định gọi lay mẫu Lấy mẫu quan trọng; thực máy tính đơn vị lay mẫu.Lấy mẫu liên quan trực tiếp tới đa hợp chuyển đổi tương tự sang số 10/10/2013 10/10/2013 10/10/2013 • Định lí lấy mẫu: • Rõ ràng tần số lay mẫu fs nhỏ hai lần tần số thực f, tần số thực không cấu trúc lại từ giá trị lay mẫu Tần số f=fs/2được gọi tần số Nyquist fN 10/10/2013 • Thật quan trọng hiểu tín hiệu liên tục chứa tần số fN=fs/2 , thành phần tần số cao xuất liệu lay mẫu sóng tần số thấp Tên hiệu tần số tránh tín hiệu ban đầu (gốc) lay mẫu tần số cao gấp hai lần thành phần tần số cao tín hiệu fs>2.fmax (5-1) Đây ý nghóa định lí lay mẫu 10/10/2013 3.1.CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ ( ADC ) • 3.1.1 Biến đổi AD : • a Quan hệ vào / : • Biến đổi AD có tính chất tỉ lệ Tín hiệu vào tương tự Vi biến đổi thành phân số x cách so sánh Vi với tín hiệu tham chiếu Vref Đầu ADC mã phân số Bất kỳ sai số Vref dẫn tới sai số mức ra, người ta cố gắng giữ cho Vref ổn định tốt.Hình 3.3.a minh họa quan hệ vào / • Trong thực tế, tần số lay mẫu phải cao tần số phát biểu định lí lay mẫu 10/10/2013 10/10/2013 10/10/2013 • Nếu mã ngõ AD n bit số mức rời rạc 2n Đối với tương ứng - một, tầm vào lượng tử hóa theo mức Mỗi mức ( lượng tử ) giá trị tương tự phân biệt với hai mã Nó kích thước bit có trọng số nhỏ ( LSB : Least Significant bit ) • Q = LSB = FS 2n −1 10/10/2013 10/10/2013 11 10/10/2013 10 Phương pháp biến đổi A/D: • Phương pháp điện bậc thang 10/10/2013 Bài giảng đo lường điều khiển máy tính 12 10/10/2013 • Phương pháp xấp xỉ liên tiếp: • Phương pháp dùng kỹ thuật biến đổi AD tốc độ cao trung bình Nó dùng DAC bên để tạo điện áp mức vào tín hiệu, sau n chu kỳ xung clock cho trưòng hợp ADC n bit 10/10/2013 13 10/10/2013 14 10/10/2013 16 IC ADC 0809 • ADC0809 thiết bị chuyển đổi analog sang digital bit, multiplex kênh tương thích với vi xử lí ADC0809 sử dụng kỹ thuật chuyển đổi A/D xấp xỉ liên tiếp • Sơ đồ khối : 10/10/2013 15 10/10/2013 • • • • • • • • • 10/10/2013 17 • Khaû : • -Giao tiếp dễ dàng với tất vi xử lí • -Hoạt động với thang đo tỉ lệ với VDC điện áp chuẩn điều chỉnh • -Không cần chỉnh không hay toàn thang • -Multiplex kênh với địa logic • -Tầm điện áp vào 0-5V với nguồn cung cấp đơn 5V • -Ngõ phù hợp với mức điện áp TTL • -Độ phân giải bit • -Sai số không điều chỉnh tổng cộng : +/- LSB • -Nguồn cung cấp đơn : 5VDC • -Công suất thấp : 15 mW • -Thời gian chuyển đổi : 100 ns 10/10/2013 IN0-IN7 : ngõ vào tương tự A2, A1, A0: giải mã chọn ngõ vào D0-D7: ngõ song song bit ALE: cho phép chốt địa Start: xung bắt đầu chuyển đổi Clock: xung đồng hồ Vref+ : điện tham chiếu (+) Vref- : điện tham chiếu (-) VCC: nguồn cung cấp 10/10/2013 18 • Ba bit A0, A1, A2: chọn kênh ADC từ IN0 đến IN7 • A2 A1 A0 • 0 IN0 • 0 IN • IN • … • 1 IN7 19 10/10/2013 20 10/10/2013 3.3.2.BIẾN ĐỔI SỐ – TƯƠNG TỰ: (DAC) • -Quan hệ vào : Biến đổi DA có tính chất tỉ lệ Tín hiệu vào số N biến đổi thành dòng điện hay điện áp có giá trị Q(phụ thuộc vào tín hiệu tham chiếu Vref) cách so sánh giá trị đầu vào với giá trị thang đầu vào Bất kì sai số tín hiệu Vref dẫn tới sai số mức ra, người ta cố gắng cho Vref ổn định tốt 10/10/2013 21 10/10/2013 22 • Thông thường biến đổi DAC thong mại, ngõ xuất dòng điện, ta phải mắc thêm biến đổi dòng thành áp nhận • -Đầu vào DAC : Đa số DAC có ngõ vào bit, 10 bit, 12 bit 16 bit Đầu vào DAC mã nhị phân tự nhiên vó dấu Nếu mã đầu vào có dấu tín hiệu tham chiếu phải tín hiệu lưỡng cực • Bộ DAC liên tục biến đổi số ngõ vào thành giá trị tương tự ngõ ra, thời gian cho lần biến đổi tùy theo DAC Vì để đảm bảo xác , người ta mắc thêm ngõ vào DAC mạch chốt liệu để tránh tượng DAC xuất tín hiệu không xác định khoảng thời gian tự hai lần cập nhật liệu ngõ vào • -Đầu DAC : tùy theo công nghệ chế tạo mà đầu DAC dòng áp • -Tín hiệu điều khiển 10/10/2013 10/10/2013 23 24 10/10/2013 Phương pháp chuyển đổi D/A : • Bộ chuyển đổi DAC với thang điện trở , khóa S1, S2, ,Sn thể hay điều khiển ngõ vào s Điện áp ngõ : 10/10/2013 25 10/10/2013 26 IC DAC 0806/0808 • Đặc điểm: • -Độ xác tương đối : +/-0.19 %( bit) với DAC 0808 • -Độ xác bit bit với DAC 0806 DAC 0807 • -Thời gian xử lí nhanh : 150 ns • -Ngõ vào digital không đảo tương thích TTL CMOS • -Tốc độ quét cao : 8mA/us • -Tầm điện áp cung cấp : +/- 4.5 V đến +/- 18V • -Công suất tiêu thụ thấp : 33 mW với nguồn +/-5V 10/10/2013 27 10/10/2013 28 10/10/2013 3.4 Lọc tương tự (analog filtering) • Lọc tương tự áp dụng để giảm thành phần tần số tín hiệu có ích tín hiệu không mong muốn có nội dung tần số khác với tín hiệu mong muốn Chú ý lọc tương tự nên dùng để giảm nhiễu điện sau bọc phù hợp khuếch đại vi sai làm giảm nhiễu nhiều tốt • Băng thông tần số góc (cut-off) hai đặc tính lọc tương tự Băng thông phạm vi tần số mà cho qua không lọc Tại tần số cắt,biên độ bị giảm từ băng thông • Bộ lọc thông thấp thiết kế cho qua tần số tần số cắt cụ thể làm suy giảm tần số cao Nó dùng loại trừ hay tối thiểu bí danh tần số gọi lọc chống bí danh (anti-alias filter) Bộ lọc thông cao thiết kế cho qua tần số cao làm suy yếu tần số thấp 10/10/2013 10/10/2013 30 10/10/2013 32 29 • 3.4.1 Bộ lọc thông thấp-bậc • Dạng đơn giản lọc thông thấp mạch RC thụ động(thí dụ 3.2) Bộ lọc mô tả phương trình vi phân bậc nhất: 10/10/2013 31 10/10/2013 • Trong T=RC, v0 điện áp tụ điện vi điện áp vào Bộ lọc có độ lợi tónh 1, nghóa đạo hàm Từ biến đổi Laplace phương trình 5-6, hàm truyền lọc tìm là: 10/10/2013 33 10/10/2013 34 • Đối với ngõ vào sin • • • 3.4.2 Bộ lọc thông cao-bậc cao • 3.4.3.Bộ lôc thông cao 10/10/2013 35 10/10/2013 36 10/10/2013 3.5.Lọc số • • • • 3.6 Xử lí liệu đo lường đơn giản • Sau k hi giá trị đo lường chuyển đổi vào dạng số, nhiều kiểm tra phải thực trước liệu chấp nhận, lọc dùng cho xử lí sau Ban đầu, để thực chuyển đổi A/D thủ tục sau can : • -Định vị vị trí đo lường xác, điều khiển hợp kênh • -Khởi động chuyển đổi A/D • -Đọc ghi A/D sau hoàn thành chuyển đổi A/D • Sau chuyển đổi hoàn thành, can thiet là: • -Kiểm tra tính giá trị đo lường với tương ứng giá trị tối thiểu giá trị cực đại tốc độ thay đổi 3.5.1 Cấu trúc tổng quát 3.5.2 Bộ lọc thông thấp số 3.5.3 Bộ lọc thông thấp số-bậc cao 3.5.4 Bộ lọc thông cao số 10/10/2013 37 -Chỉnh đơn vị phù hợp -Tuyến tính hóa tín hiệu cảm biến -Tính toán trung bình tín hiệu đo lường thô -Cân chỉnh bù trôi -Lọc (số) giá trị đo lường -Lưu trữ giá trị đo lường -Gửi thông điệp báo động hay thông điệp khác tới người vận hành • -Thực xử lí tín hiệu , đăng kí báo cáo • Phần mềm thu thập liệu thong mại thường chứa kiểm tra • • • • • • • 10/10/2013 10/10/2013 • • • • • • • 39 38 3.6.1 Kiển tra báo động 3.6.2 Tỉ lệ tuyến tính hoá 3.6.3 Lấy trung bình 3.6.4 Cân chỉnh bù dịch chuyển (trôi) 3.6.5 Vẽ 3.6.6 Cấu trúc liệu cho tín hiệu đo lường 3.7 Tóm tắt 10/10/2013 40 10 10/10/2013 Hệ thống thu thập liệu • 3.3.1 Thu thập liệu • Mục đích thu thập liệu thu thập thông tin tượng hay đại lượng vật lý điện áp, dòng điện, nhiệt độ, áp suất âm Sự thu thập liệu PC sử dụng kết hơp mô đun phần cứng, phần mềm ứng dụng máy tính để thực việc thu thập Trong hệ thống thu thập liệu định nghĩa yêu cầu ứng dụng Mỗi hệ thống chia mục đích chung thu được, phân tích nhận thơng tin có Những hệ thống thu thập liệu hợp tín hiệu, cảm biến, cấu chấp hành, trạng thái tín hiệu, thiết bị thu thập liệu phần mềm ứng dụng 10/10/2013 41 10/10/2013 42 10/10/2013 44 • 3.3.2 Hệ thống thu thập liệu nhiều kênh • Hệ thống thu thập liệu nhiều kênh hệ thống thực việc thu thập liệu, giám sát điều khiển nhiều đối tượng lúc, đối tượng giống hay khác Các đối tượng nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,… Hệ thống thu thập liệu nhiều kênh thu thập liệu máy tính PC sử dụng kết hợp mô đun phần cứng, phần mềm ứng dụng máy tính đo thực việc thu thập • Hệ thu thập liệu thực năng sau: • Thu thập liệu từ thiết thiết bị cơng nghiệp cảm biến • Phân tích, xử lý thực phép tính tốn liệu thu thập • Hiển thị liệu thu thập được, kết xử lý, lưu trữ thông tin thu thập lên máy tính • Viết chương trình giao tiếp, giám sát điều khiển máy tính • Nhận lệnh từ người điều hành gửi lệnh đến thiết bị điều khiển • 10/10/2013 43 11 10/10/2013 10/10/2013 45 12