- Máy khuấy từ gia nhiệt Van điều chỉnh
4.4.2Thiết kế khối tiền xử lý tín hiệu
T tr ng ngoài
4.4.2Thiết kế khối tiền xử lý tín hiệu
4.4.2.1 Mạch khuếch đại
Do tính chất hiệu điện thế đưa về từ cảm biến cực thấp 10-100µV nên yêu cầu mạch khuếch đại tín hiệu phải có trở kháng ngõ vào cao, tính kháng nhiễu tốt, các chỉ số trôi điện áp thấp. Điều này làm cho các mạch khuếch đại thông thường sử dụng transistor hoặc FET không đáp ứng được do sự phụ thuộc vào điều kiện môi trường cao của bản thân linh kiện và các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn dây bắt buộc sử dụng trong cấu trúc các
119
mạch khuếch đại loại này. Trong các loại mạch khuếch đại sử dụng BJT, FET thì mạch khuếch đại sai lệch giảm thiểu được tác động nhiễu nhiệt nhờ sử dụng độ sai lệch giữa hai mạch khuếch đại thông thường. Độ sai lệch này nhờ vậy triệt tiêu được các thành phần nhiễu của nhau. Cấu trúc mạch khuếch đại sai lệch này được tích hợp và đóng gói lại thành vi mạch bao bọc bởi nhựa, men hoặc có cả lớp bọc kim loại để giảm tối đa các tác động của nhiễu bên ngoài. Vì các yêu cầu khắt khe của bài toán mà toàn bộ các tầng khuếch đại đều sử dụng các vi mạch-tên kỹ thuật là op-amp này.
AD524 là vi mạch khuếch đại độ chính xác cao [113] được thiết kế riêng cho các ứng dụng đo đạc chính xác trong các điều kiện hoạt động xấu nhất. Trong các tiêu chí mà vi mạch khuếch đại AD524 được lựa chọn, đặc điểm độ khuếch đại cao lập trình được trong bốn cấp độ khuếch đại 1, 10, 100, 1000 với độ phi tuyến khuếch đại thấp đạt tới ±0.01% và sai số khuếch đại đạt ±2% ở độ khuếch đại 1000. Như vậy ở độ chính xác này, nếu tính toán được độ chênh lệch điện áp trên cảm biến là 100µV thì giá trị này thực tế nằm trong khoảng 98.03 µV đến 102.05µV (do độ khuếch đại thực tế từ 1000- 1000*2.01% đến 1000+1000*2.01% tức là từ 979.9 – 1020.1). Tham số cách ly nhiễu của AD524 (Hình 4.25) cực
tốt đạt tới tối đa 0.3µV các nhiễu tần số thấp 0.1Hz – 10Hz. Một thông số quan trọng nữa là độ gợn của điện áp trôi ở ngõ ra là 25µV/oC, ở ngõ vào là 0.5µV/oC. Giá trị này là rất lớn so với hiệu điện thế lấy ra từ cảm biến nên yêu cầu việc thực hiện kỹ thuật đo này cần thực hiện trong điều kiện nhiệt độ
120
nhiệt độ chênh lệch giữa các ngày thực hiện phép đo nếu lên tới 5oC sẽ làm sai lệch 2.5µV - chiếm tới 2.5- 5%, trên hiệu điện thế đầu đo GMR.
Trong các phép thử nghiệm sensor, AD524 được sử dụng trong mạch xử lý tín hiệu như trình bày trên Hình 4.24.
4.4.2.2 Vòng khóa pha
Thông thường, mạch lọc thông thấp được đưa vào tầng ra của mạch khuếch đại nhằm loại trừ các thành phần nhiễu tần số cao tác động làm sai lệch kết quả đo. Các nhiễu gây ra bởi sóng radio, tivi, điện thoại, đèn huỳnh quang có tần số hoạt động lớn hơn 50 Hz nên mạch lọc thông thấp cần có tần số cắt ở 50 Hz. Vì trường hiệu dịch được điều khiển chính xác với tần số 2 Hz nên hiệu điện thế sai lệch xuất hiện trên cảm biến vẫn có thể do tín hiệu nhiễu tần số thấp. Để giải quyết được vấn đề này, một mạch vòng khóa pha cần được nghiên cứu thiết kế tiếp để khóa giữ lấy tín hiệu có tần số 2 Hz và loại bỏ các tần số khác đi. Tuy nhiên tiềm ẩn trong các tín hiệu được khóa pha này vẫn có những mẫu dữ liệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu tần số thấp. Các phương pháp xử lý lọc thích nghi có thể được áp dụng lên mẫu đo này để loại bỏ các nhiễu và đem lại kết quả hợp lý nhất [114].
Vòng khóa pha là một mạch điện đặc biệt có khả năng chốt giữ các tín hiệu có tần số được thiết kế trước nhằm loại bỏ các thành phần không mong muốn khác. Như minh họa ở Hình 4.26, một vòng khóa pha bao gồm ba khối
Hình 4.26. Sơđồ khối chức năng của một vòng khóa pha (PLL) gồm khối phát
hiện đồng bộ, một bộ khuếch đại và bộ dao động có tần số biến thiên theo hiệu điện thế.
121
chức năng chính là khối phát hiện đồng bộ, một bộ khuếch đại và bộ dao động có tần số biến thiên theo hiệu điện thế. Khối phát hiện đồng bộ hoạt động như một mạch lọc thông dải chỉ đáp ứng lại các tín hiệu có tần số nằm giữa fo±Bp
với f0 là tần số cơ sở cần lọc và Bp là băng thông của một bộ lọc tần số thấp. Nhờ vậy các tần số khác được loại bỏ và ta sẽ thu được dữ liệu cần đo có tần số 2 Hz từ sensor.
Tuy nhiên để loại bỏ bớt các thành phần nhiễu dễ dàng ảnh hưởng đến hiệu điện thế rất nhỏ (10µV-100µV) sinh ra từ cảm biến, một mạch lọc thông thấp vẫn được thiết kế sử dụng trước khi đưa tín hiệu vào vòng khóa pha. Sau khi xem xét đánh giá, mạch lọc thông thấp sử dụng Op-amp có đặc tính lọc tốt hơn cả nhờ cấu trúc bao bọc cách nhiễu của vi mạch trước các nhiễu có tần số cao trong môi trường đo đạc. Tần số cắt của mạch được tính theo công thức: 2 1 2 1 2 1 C C R R fc π
= đạt được 10 Hz theo các thông số của mạch (Hình
4.27).
Hệ số khuếch đại lựa chọn cho mạch là 3:
43 3 2 1 R R K = + R1 33k R2 33k R4 10k R3 20k - + U1 LM741 3 2 6 7 1 4 5 C1 104 C2 104 J1 CON2 1 2 Hình 4.27. Sơđồ mạch lọc tại tần số cắt 10Hz.
122
4.4.2.3 Thiết kế mạch lọc (triệt tần) 50 Hz
Mặc dù các vi mạch cung cấp nguồn được sử dụng để cung cấp nguồn cho các thành phần của mạch, nhưng do vẫn có các kết nối đất chung hoặc ảnh hưởng trên biến áp, thành phần xung nhiễu xoay chiều từ lưới điện 50 Hz vẫn tác động gây sai lệch kết quả đo [115]. Vì vậy, mạch lọc triệt tần thường dùng trong các thiết bị điện tử y sinh để khử nhiễu công nghiệp 50Hz (Hình 4.28), được đưa vào mạch điện. Khối triệt tần được thiết kế dựa trên sử dụng mạch lọc cầu T có hồi tiếp. Các thông số của mạch được tính theo công thức:
RC fc π 2 1 = 6 5 1 R R K = + ) 2 ( 2 1 K Q − =
Với các giá trị linh kiện trong mạch R1 = R2 = R3 = R4 = R = 33kΩ và C1 = C2 = C3 = C4 = C = 100nF, mạch triệt tần được thiết kế có tần số cắt cố định là fc .
123