Chuyển đổi xung quang thành xung điện

22

GHÉP NỐI CẢM BIẾN VÀO HỆ ĐO 2.1 Tỷ số SNR của cảm biến [7,9]

Để đánh giá mối tương quan giữa tín hiệu cần đo và tạp nhiễu, người ta dùng tỷ số Tín hiệu trên Tạp S/N (Signal/Noise) hay SNR (Signal-Noise Ratio).

Tỷ số tín hiệu trên tạp nhiễu được xác định như sau:

2 2

X S Pth th

N  Pta  Xta (2.1) Trong đó : Pth : cơng suất tín hiệu

Pta : công suất tạp nhiễu

Xth : giá trị hiệu dụng của tín hiệu (Uth hoặc Ith ). Xta : giá trị hiệu dụng của tạp nhiễu (Uta hay Ita ).

Cơng thức (2.1) có thể được dùng để nhận định tín hiệu đi vào hoặc đi ra khỏi phần tử là lớn hay nhỏ. Trường hợp tỷ số S/N  2, tín hiệu được coi là rất nhỏ, thơng tin khai thác từ tín hiệu khơng có chất lượng, thiếu chính xác, khơng tin cậy. Trường hợp tỷ số S/N  10, tín hiệu được xem là lớn và thông tin thu được đáng tin cậy.

2.1.1 Phân loại tạp ngoài (nhiễu-external noise):

+ Nhiễu do nguồn điện :

Các đầu thu, phần tử cảm biến, bộ khuếch đại được nuôi bằng nguồn điện lưới luôn bị ảnh hưởng bởi nhiễu nguồn ni tần số 50 Hz. Ngồi ra, từ nguồn ni cịn có nhiều tạp nhiễu ngẫu nhiên sinh ra bởi các dụng cụ điện dùng chung nguồn (như đèn ống, mô tơ, máy hàn...)

Để giảm thiểu loại nhiễu này, hệ đo cần có các mạch lọc nguồn thật tốt, cách điện giữa vỏ máy với xung quanh, vỏ máy được tiếp đất. Loại nhiễu này cơ bản không ảnh hưởng vào hệ đo nếu hệ được nuôi bằng nguồn pin hay ắc quy.

Sóng điện từ trong mơi trường như sóng phát thanh, truyền hình, bộ đàm, bộ đánh lửa... thường xuyên tác động đến cảm biến và hệ đo, đặc biệt ảnh hưởng đến phép đo tín hiệu điện.

Để xử lý nhiễu do sóng điện từ, cảm biến và hệ đo cần được che chắn bằng các lồng Faraday (vỏ máy bằng kim loại tạo thành hộp kín có nối đất), các đường dây nối các khối thiết bị được bọc kim, sử dụng các mạch lọc tần, triệt nhiễu phù hợp...

+ Nhiễu do quang :

Trong các phép đo tín hiệu có sử dụng ánh sáng, nhiễu do quang thường xuất hiện do các nguồn ánh sáng tự nhiên, ánh sáng nhân tạo tác động một cách ngẫu nhiên vào cảm biến. Để giảm thiểu loại nhiễu này, cảm biến và hệ đo cần được đặt trong buồng đo quang học, che chắn bằng các lớp giấy hay tấm màn vải dầy mầu tối, ngăn chặn tác động của các nguồn sáng không mong muốn lên đối tượng đo.

+ Nhiễu do cơ :

Nhiễu do cơ là những thăng giáng của tín hiệu bị ảnh hưởng bởi những rung động nội tại hay bên ngoài hệ đo. Đặc biệt đối với các thiết bị có độ chính xác, độ phân giải cao, liên quan đến phép đo kích thước, dịch chuyển nhỏ, sự rung động của môi trường ( cụ thể là giá đỡ hệ đo) nhiều khi khiến hệ không thể hoạt động được. Các thiết bị quang học hệ số phóng đại lớn khơng nên đặt ở trên tầng cao vì càng ở vị trí cao của tịa nhà, biên độ dao động ngang càng lớn. Để hạn chế loại nhiễu cơ học này, người ta cần khảo sát thông số dao động của nền đất, sử dụng các dây treo đàn hồi để khử dao động, đặt thiết bị trên những phiến đế rất nặng, thậm chí hệ đo được đặt trong phịng thí nghiệm sâu dưới lịng đất.

+ Nhiễu do môi trường:

Yếu tố mơi trường cũng góp phần gây nhiễu cho cảm biến và hệ đo. Độ sạch của khơng khí, sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm, áp suất... của mơi trường đều có thể gây bất ổn định trong hệ đo tín hiệu quang, điện.

2.1.2 Tạp nội (internal noise)

Tạp nội là những thăng giáng xuất hiện trong nội tại hệ đo. Những thăng giáng này tồn tại trong các phần tử cảm biến, đầu dị, mạch tích hợp, transistor, điốt, điện trở, dây dẫn... của hệ thu tín hiệu khi chúng có dịng điện đi qua.

24

hoặc linh kiện đều thăng giáng một cách ngẫu nhiên xung quanh giá trị trung bình, ngay cả trong trường hợp cân bằng nhiệt. Một số tác giả gọi loại thăng giáng này là

nhiễu thăng giáng nội tại. Để tiện phân biệt với nhiễu bên ngoài, ta gọi sự thăng giáng ngẫu nhiên bên trong vật liệu này là tạp nội.

Loại tạp này khó khắc phục vì nó xuất phát từ tính chất của vật liệu và linh kiện. Tuy nhiên người ta có thể hạn chế ảnh hưởng của nó nếu biết đặc tính và nguyên nhân gây ra nó. Dựa vào nguồn gốc gây tạp, đến nay người ta đã phát hiện được nhiều loại tạp nội khác nhau như: tạp nhiệt (thermal noise), tạp nổ (shot noise), tạp 1/f hay còn gọi là tạp nhấp nháy (flicker noise), tạp phát sinh - tái hợp (generation - recombination noise), tạp bập bùng (burst noise), tạp thác lũ (avanlanche noise), tạp cảm ứng (induced noise), tạp phân chia (partition noise), tạp phát xạ thứ cấp (secondary emission noise), tạp dư gây ra do các kích thích xoay chiều (excess noise due to a.c excitation), tạp hút – nhả (absorption - desortion noise)...

Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu, cấu trúc, công nghệ chế tạo và nguyên lý hoạt động của linh kiện mà mỗi loại vật liệu, linh kiện thường chỉ có một số loại tạp tiêu biểu nhất định nổi trội. Ví dụ:

- Tạp nhiệt (thermal noise)

Nguồn gốc tạp nhiệt là do chuyển động Brown của các hạt tải điện bên trong vật dẫn gây nên. Ở một nhiệt độ nhất định, mật độ phổ của điện áp tạp nhiệt được xác định theo biểu thức:

Sv(f) 4kTR (2.2) 

Trong đó k = 1,38.10-23 J/K là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối, R là điện trở của vật dẫn.

Tạp nhiệt là nguồn tạp phổ biến nhất trong các cảm biến, linh kiện và thiết bị điện tử. Các linh kiện làm việc ở vùng nhiệt độ thấp bao giờ cũng ổn định, ít tạp hơn khi làm việc ở vùng nhiệt độ cao.

Nguồn gốc tạp nổ là do sự dao động của dòng hạt tải tự do khi chạy qua một khe hay rào năng lượng. Mật độ phổ dòng tạp nổ ở vùng tần số thấp được xác định bằng công thức:

S f 2eI (2.3)i 

trong đó e là điện tích của điện tử, I là dịng điện một chiều trung bình. Ở vùng tần số cao mật độ phổ dòng tạp nổ phụ thuộc vào tần số f dưới dạng:

trong đó  là thời gian dịch chuyển của điện tử qua miền điện tích khơng gian. Để giảm thiểu tác động của loại tạp này, nên chọn dòng điện làm việc của linh kiện nhỏ một cách phù hợp nhất. Các linh kiện bán dẫn được chế tạo theo công nghệ MOSFET, CMOS có tạp nổ nhỏ vì chúng tiêu thụ dịng điện rất nhỏ.

- Tạp phát sinh tái hợp (genreration - recombination noise, viết tắt là G - R noise) Nguồn gốc tạp phát sinh tái hợp là do các hạt tải tự do bị thăng giáng tự phát bởi các tâm phát sinh tái hợp ở trong khối và bề mặt vật liệu linh kiện. Mặt độ phổ Si(f):

trong đó ΔN2 là thăng giáng bình phương trung bình của số hạt tải ở bên trong mẫu. N0 là số hạt tải ở trạng thái cân bằng,  là thời gian sống của hạt tải. - Tạp 1/ f (1/ f noise or ficker noise)

Đặc điểm của loại tạp này là mật độ phổ của tạp tỷ lệ nghịch với tần số, dạng:

Trong đó C, , , là các hằng số, I là dòng điện một chiều đi qua linh kiện, ƒ là tần số. Trong nhiều trường hợp người ta thấy giá trị  = 2, còn  thường có giá trị từ 0,8  1,4. Nguyên nhân vật lý của sự xuất hiện tạp 1/ ƒ đến nay vẫn chưa biết một

  2ΔN2 τ S fi 4 2 2 2 (2.5) 1 ω τ 0 I N     β 1 S fi γ (2.6) ƒ CI    2 τ S fi 2 ( 2 2 2 ) (2.4) π τ Sin f eI f  

26

giả cho rằng loại tạp này có liên quan tới trạng thái bề mặt của vật liệu và linh kiện. Theo công thức (2.6), loại tạp này trở nên rất lớn ở vùng tần số thấp, cỡ một vài Hz. Do vậy, khi tiến hành phép đo, nên lưu ý tránh xa vùng tần số này.

- Tạp thác lũ (avalanche noise)

Nguồn gốc tạp thác lũ là do các hạt tải được tăng tốc ở trong điện trường cao va chạm làm phát sinh ra các hạt tải khác (hạt tải thứ cấp). Quá trình này có tính ngẫu nhiên, gây nên hiện tượng thác lũ bên trong linh kiện.

Mật độ phổ của dòng tạp thác lũ có dạng:

Si(f) = 2eM2qIM (2.7)

trong đó: q là hệ số, IM là dịng tồn phần, M là hệ số nhân thác lũ.

- Tạp bập bùng (burst or popcorn noise)

Tạp này có dạng gồm các xung ngẫu nhiên nối tiếp có độ dài thay đổi, độ cao như nhau hoặc khác nhau. Nguồn gốc của tạp bập bùng đến nay vẫn chưa rõ hồn tồn, có thể là do sự đánh thủng địa phương, do sự bất đồng đều của vật liệu hoặc do các khuyết tật của mạng tinh thể làm sai lệch mạng và tạo nên các tâm bắt với mật độ lớn...

Mật độ phổ của dịng tạp xác định theo biểu thức:

trong đó: I là độ cao trung bình của dãy xung,

N là tổng số lần lên và xuống của dãy xung quan sát, 1/0 = 1/τ + 1/τ

với τlà độ rộng xung trung bình ở mức trên và τ là độ rộng xung trung bình ở mức dưới.

2.1.3 Vai trò quan trọng của tạp nhiễu trên cảm biến [9]

Khi có nhiều tầng khuếch đại mắc nối tiếp thì tính chất tạp âm của cả bộ khuếch đại chủ yếu được quyết định bởi tính chất tạp âm của tầng đầu.

Ta sẽ chứng minh điều này bằng cách tính tạp âm cho bộ khuếch đại gồm hai tầng khuếch đại như trên hình vẽ 2.1. Lưu ý rằng, để dễ tính tốn, ta tách các

  2 τ τ τ0 S f 4i (2.8) 2 2 2 ( τ τ ) 1 ω τ0 I N       

khối khuếch đại ra hai phần riêng rẽ: phần khuếch đại lý tưởng (khơng có tạp âm) và phần tạp âm của nó được đưa ra bên ngồi.

Xét tương đương :

Coi hai bộ khuếch đại lý tưởng khơng có tạp âm. Tạp âm nội của chúng được biểu diễn ra hai nguồn tạp âm Pta1 và Pta2. Trên hình vẽ, PV là cơng suất tín hiệu đưa đến đầu vào hệ khuếch đại cịn Pta1 và Pta2 là các cơng suất tạp sinh ra trong các tầng khuếch đại một và hai (độc lập với tín hiệu vào). Có thể viết như sau:

1 ( 1) 1 ( ) 2 1 2 2 pta r PV Pta KP Pta r Pta r Pta KP    

KP1 và KP2 là hệ số khuếch đại công suất của hai tầng khuếch đại. Cũng có thể viết :

Pta r2P PV ta 1KP1Pta2KP2P PV ta 1K KP P1 2Pta2KP2

Chia hai vế cho KP1 KP2 , ta nhận được:

K KPtarp p1 22 P P  v  ta1 K Pta2p1 (2.9)

Nhận xét:

+ Thành phần vế trái của phương trình (2.9) tỷ lệ với cơng suất đầu ra cuối cùng của bộ khuếch đại.

+ Pv là công suất tạp đưa đến. + Pta1 là cơng suất tạp của tầng đầu.

Hình 2.1. Sơ đồ hai khối KĐ công suất tạp âm

PV KP1 KP2

PTa1 PTa2

28

p1

K

lượng này rất nhỏ do bị giảm đi Kp1 lần.

Kết luận: Tính chất tạp âm của bộ khuếch đại nhiều tầng chủ yếu do tạp âm

của tầng đầu quyết định. Điều này cần được đặc biệt lưu ý khi lựa chọn đầu dò, cảm biến, linh kiện cho khối tiền khuếch đại của hệ đo.

2.2 Một số cách ghép thƣờng dùng

2.2.1 Sử dụng mạch cầu [2]

Tính chất tạp nhiễu của phần tử đầu vào (cảm biến, detector) và của tầng khuếch đại đầu tiên là rất quan trọng trong các hệ thu tín hiệu nhỏ. Để tăng cường chất lượng khuếch đại tín hiệu hữu ích, đồng thời giảm thiểu tạp nhiễu ở lối vào, người ta thường sử dụng các mạch cầu (điện trở, điện dung) ghép với cảm biến. a) Mạch cầu Wheatstone

Cầu Wheatstone thường được sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ, lực, áp suất, từ trường...Cầu gồm bốn điện trở, trong đó R1, R2, R3 có trị số cố định và R4 có trị số thay đổi. (hình 2.2). R4 chính là điện trở của phần tử đo ở đầu vào hệ đo. Hai điểm của cầu được ni bằng hiệu điện thế U, hai điểm cịn lại là hai điểm đo (Uđo). Khi cầu cân bằng (tỷ số các điện trở trên hai nhánh bằng nhau), Uđo = 0. Do tác động của đại lượng đo, điện trở R4 bị thay đổi, làm cho cầu bị lệch cân bằng, dẫn đến Uđo  0.

Quan hệ giữa điện áp Uđo của cầu và R4 là một hàm phi tuyến, nhưng trong một giới hạn biến đổi  nhỏ của R4 (cỡ 5%), có thể coi quan hệ này là tuyến tính.

Khi R1 >> R2 hoặc R2 >> R1, điện áp ra Uđo của cầu giảm, độ nhậy thấp. Khi R1 = R2 và R3 = R4, Uđo của cầu có độ nhậy cực đại theo sự thay đổi vi lượng  của điện trở R4.

Sử dụng mạch cầu này ở đầu đo có những ưu điểm:

- Tín hiệu đo ban đầu Uđo = 0 nhờ việc chỉnh cầu ở trạng thái cân bằng. Các mức điện áp một chiều bị loại, dễ dàng tăng hệ số khuếch đại để quan sát rõ tín hiệu. - Loại được những thăng giáng của nguồn nuôi U

- Loại được các nhiễu điện, nhiệt bên ngoài đồng thời tác dụng vào các nhánh cầu đo

Hình 2.2. Sơ đồ mạch cầu điện trở

Hình 2.3 mơ tả một mạch cầu cân bằng dùng để đo mức chất lỏng trong bể chứa. Người ta dùng một cái phao nổi trên mặt chất lỏng, một thanh thẳng được gắn giữa phao và biến trở (điện trở có mũi tên của nhánh trái cầu). Sự thay đổi mức chất lỏng làm thay đổi giá trị biến trở, cầu lệch khỏi vị trí cân bằng và sự thay đổi đó được phát hiện thông qua hiệu điện thế ở lối ra cầu.

Hình 2.3. Cảm biến mức chất lỏng dùng cầu điện trở

b) Mạch cầu Sauty [2,7]

Cầu Sauty được sử dụng để đo điện dung tụ điện. Nó cũng được dùng trong phép đo sử dụng cảm biến cấu trúc dạng tụ điện. Mạch cầu Sauty gồm có bốn nhánh trong đó hai nhánh là điện trở, hai nhánh là tụ điện (hình 2.4a).

R1, R2 là các điện trở thuần, R3 là biến trở dùng để cân bằng cầu. Cho rằng góc tổn hao  trên tụ rất nhỏ (tụ lý tưởng, khơng có dòng rò), cầu cân bằng khi:

1 2 1 2 3 R C C R R   (2.10) + -

30

tụ làm cảm biến đo như trên hình 2.4b (ví dụ các cảm biến tụ điện đo mức chất lỏng, xác định thủy phần nơng sản…). Điện dung tụ điện trụ được tính theo cơng thức:

2 0 2 1 Q h C r U Ln r     (2.11)

Sự thay đổi  (liên quan đến vật chất bên trong tụ) làm điện dung C của tụ thay đổi. Sự thay đổi điện dung của cảm biến được cầu đo phát hiện, trong khi nhiễu tác dụng vào mạch cầu bị khử mạnh.

Ví dụ, vùng khơng gian bên trong tụ được lấy đầy một phần nông sản, có thể phân tích điện dung thành hai tụ mắc song song với nhau; tụ C0 là phần tụ khơng khí, tụ Cm là phần tụ có chứa mẫu đo.

Khi tụ khơng chứa mẫu đo thì Cm= 0 và điện dung tương đương của tụ là:

2 0 0 2 1 h CMN C Ckk r Ln r    

Giả sử trong tụ có chứa một phần mẫu đo, thể tích là 2 ( r2r x1) với x là độ cao của mẫu và ε là hằng số điện môi của mẫu đo. Phần không khí trong tụ có độ cao là (h-x). Khi đó, điện dung tương đương của tụ là:

2 0( ) 2 0 0 2 2 1 1 2 0 2 0 ( 1) 2 2 1 1 2 0( 1) . 2 1 h x x CMN C Cm r r Ln Ln r r h x CMN r r Ln Ln r r CMN Ckk r x Ln r                   

Biểu thức trên cho thấy điện dung tương đương CMN của tụ phụ thuộc tuyến tính theo lượng mẫu chứa trong vùng không gian giữa hai bản tụ. Điện dung của tụ lớn nhất khi khoảng không gian giữa hai bản cực được lấp đầy mẫu.

Nguồn ni cầu có dạng sóng hình sin được đưa vào hai điểm 1 và 2. Tín hiệu ra của cầu trên các điểm 3 và 4 được đưa vào mạch khuếch đại vi sai và chỉ thị đo. Cầu Sauty cho phép loại trừ mức điện áp một chiều và khuếch đại mạnh tín hiệu khi