Bài giảng Kỹ thuật điều khiển tự động - Chương 4 Xử lý tín hiệu

 C.B. Pham 4-1 Ch 4: Xử lý tín hiệu • Bộ xử lý tín hiệu có chức năng là chuyển đổi một tín hiệu sơ cấp thành một tín hiệu có thể sử dụng được bởi phần tử kế tiếp trong hệ thống. • Những công việc xử lý tín hiệu thường gặp là: cách ly và biến đổi trở kháng; khuếch đại tín hiệu; lọc (chống nhiễu); tuyến tính hóa; lấy mẫu; chuyển đổi tín hiệu tương tư sang tín hiệu số và ngược lại. • Bộ khuếch đại thuật toán là phần tử căn bản trong các mạch xử lý tín hiệu  C.B. Pham 4-2 Không biết cái món này là gì ? công dụng chính ra sao ? Các câu hỏi Thường xuất hiện ở những thiết bị gì ? hình dáng thực tế tròn méo Các Bác cho em biết với , biết đâu em tìm trong thiết bị nhà em lại móc một con ra ... Xem ?  C.B. Pham 4-3 OPAMP viết tắt của chử Oprating Amplifier, gọi là khuếch đại thuật toán , khếch đại vi sai, khếch đại sai lệch. Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra. Công dụng : làm các mạch đệm, khếch đại, so sánh tín hiệu trong các mạch OPAMP tiêu chuẩn trong các sách vở là con 741 , trong CDP thường là con 5532, 4560,5680 (dual opamp) . Vỏ nhựa 8 chân hoặc con vỏ sắt tròn (LF356) . Các kí hiệu đầu là TL ,LF, TC nói đến loại Transistor, hãng  C.B. Pham 4-4  C.B. Pham 4-5  C.B. Pham 4-6  C.B. Pham 4-7  C.B. Pham 4-8 4.1. Bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) Đặc tính của một Op-amp lý tưởng Op-amp là một mạch khuếch đại tuyến tính với : - hệ số khuếch đại mạch hở rất lớn: A = 100000+ - trở kháng vào lớn: Rin  1 M - trở kháng ra thấp: Rout = 50-75  vout = A(v2 – v1) vsat = 0.8Vcc  C.B. Pham 4-9 4.1. Bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) Xét hệ số khuếch đại A = 100000  C.B. Pham 4-10 4.1. Bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) 5 giả thiết về đặc tính làm việc lý tưởng của Op-amp trong vùng làm việc tuyến tính • Hệ số khuếch đại vô cùng lớn, A = ∞  v1 = v2 • Trở kháng vào vô cùng lớn: Rin = ∞  i1 = i2 = 0 • Trở kháng ra vô cùng bé: Rout = 0  Không tiêu hao năng lượng • Băng thông vô cùng lớn  Không giới hạn tần số làm việc • Đường đặc tuyến luôn đi qua điểm gốc tọa độ  Vout = 0 (khi v1 = v2) Đặc tính làm việc của các mạch Op-amp ứng dụng (hệ số khuếch đại, trở kháng, và đáp ứng tần số) đều được xác định bởi các linh kiện (điện trở, tụ điện) được nối trong mạch.  C.B. Pham 4-11 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản • Mạch so sánh  C.B. Pham 4-12 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản  C.B. Pham 4-13 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản  C.B. Pham 4-14 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản • Mạch lặp điện áp  C.B. Pham 4-15 Voltage Follower  C.B. Pham 4-16 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản • Mạch khuếch đại đảo Thí dụ: một phần tử đo sơ cấp có tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 100 mV khi biến được đo thay đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động. Thiết kế mạch khuếch đại đảo để tạo ra một tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến -5 V. Giải: Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50 Chọn Lưu ý: giá trị của Ri thường được chọn sao cho:  C.B. Pham 4-17 Inverting amplifier  C.B. Pham 4-18 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản • Mạch khuếch đại không đảo Thí dụ: một phần tử đo sơ cấp có tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 100 mV khi biến được đo thay đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động. Thiết kế mạch khuếch đại không đảo để tạo ra một tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 5 V. Giải: Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50 Chọn Lưu ý: giá trị của Ri và Rf thường được chọn sao cho:  C.B. Pham 4-19 Noninverting amplifier  C.B. Pham 4-20 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản • Mạch tổng Thí dụ: Theo thước đo về sự thoải mái, hệ thống điều hòa của một tòa nhà sẽ hoạt động khi tổng giá trị trả về từ bộ cảm biến nhiệt độ và bộ cảm biến độ ẩm là 1 V. Điện áp ngưỡng để kích hoạt hệ thống điều hòa là 5 V. Thiết kế mạch giao tiếp để kết nối tín hiệu của hai bộ cảm biến với hệ thống điều hòa. Nếu  C.B. Pham 4-21 Summing amplifier  C.B. Pham 4-22 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản Giải: Hệ số khuếch đại: A = Rf / Ri = 5 Chọn Một mạch đảo dấu (với A = 1) được dùng để đảm bảo tín hiệu ra có giá trị dương  C.B. Pham 4-23 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản • Mạch khuếch đại vi sai Nếu và  C.B. Pham 4-24 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản • Mạch khuếch đại thiết bị Là một mạch khuếch đại vi sai với trở kháng vào lớn – 2 tín hiệu vào thường được đệm bởi bộ lặp lại điện áp Với bộ lặp lại điện áp: • Tăng tổng trở vào để không ảnh hưởng đến tín hiệu nguồn (tín hiệu từ cảm biến) • Trở kháng của hai tín hiệu vào được cân bằng • Cách ly giữa nguồn tín hiệu với các giá trị điện trở Ra, Rf  C.B. Pham 4-25 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản  C.B. Pham 4-26  C.B. Pham 4-27 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản • Mạch tích phân  C.B. Pham 4-28 Intergral amplifier  C.B. Pham 4-29 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản Thí dụ: Tín hiệu hằng số 100 mV áp vào một mạch tích phân. Mạch có trở kháng là 10 k và điện dung là 1 F. • Xác định biểu thức của tín hiệu ngõ ra ở thời điểm t2. • Nếu t1 = 5 s và vout(t1) = +10 V, xác định thời điểm t2 khi Op-amp đạt đến trạng thái bảo hòa (ở giá trị -16 V). Giải:  C.B. Pham 4-30 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản • Mạch vi phân  C.B. Pham 4-31  C.B. Pham 4-32 4.2. Các mạch Op-Amp cơ bản • Mạch tạo hàm Là mạch mà tín hiệu ra là một hàm phi tuyến đối với tín hiệu vào. Mạch này được tạo nên bằng cách thay đổi một trong hai điện trở của mạch khuếch đại đảo bằng một phần tử mà có đặc tính volt-ampere phi tuyến. Mạch tạo hàm căn bậc hai  C.B. Pham 4-33 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự • Cách ly và biến đổi trở kháng - Bảo toàn tín hiệu được đo. - Bảo vệ thiết bị đo Transformer coupling Optical coupling  C.B. Pham 4-34 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự • Khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu - Khuếch đại đảo / không đảo / vi sai ... - chuyển đổi dòng điện sang điện áp / điện áp sang dòng điện  C.B. Pham 4-35 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Thí dụ: Thiết kế mạch chuyển đổi một tín hiệu 20 mA thành tín hiệu 5 V. Giải: Thí dụ: Thiết kế mạch chuyển đổi một tín hiệu 12 Vdc thành tín hiệu 20 mA. Giải:  C.B. Pham 4-36 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự • Mạch cầu Wheatstone - Một số cảm biến sơ cấp chuyển đổi giá trị của tín hiệu được đo thành giá trị điện trở. - Mạch cầu Wheatstone là phương pháp phổ biến để xác định sự thay đổi nhỏ về điện trở của một phần tử.  C.B. Pham 4-37 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Mạch cầu cân bằng: Thí dụ: Một mạch cầu Wheatstone được dùng để đo một giá trị điện trở chưa biết (Rs như hình trên). Biến trở R3 được cân chỉnh cho đến khi mạch cầu cân bằng. Khi mạch cầu cân bằng, R2 = 500 , R3 = 226 , và R4 =1000 . Xác định giá trị Rs. Giải:  C.B. Pham 4-38 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Xác định giá trị Rs (từ phần tử cảm biến) bằng mạch cầu tự cân bằng Giá trị điện trở từ phần tử cảm biến sơ cấp Rs được thể hiện qua giá trị dòng điện ở ngõ ra của bộ điều khiển cân bằng (null controller) – có chức năng duy trì mạch cầu luôn ở trạng thái cân bằng.  C.B. Pham 4-39 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Ta có:  C.B. Pham 4-40 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Xác định giá trị Rs (từ phần tử cảm biến) bằng mạch cầu bất đối xứng Giá trị điện trở từ phần tử cảm biến sơ cấp Rs được thể hiện qua giá trị điện áp của mạch khuếch đại thiết bị - giá trị điện áp này tỉ lệ với sự chênh lệch giữa gíá trị Rs và giá trị Rbal (là giá trị của Rs khi mạch cầu ở trạng thái cân bằng).  C.B. Pham 4-41 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Đặt: và Ta có:  C.B. Pham 4-42 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự • Chống nhiễu - Các mạch lọc được thiết kế để làm giảm sự ảnh hưởng của nhiễu đối với tín hiệu. - Những thành phần tần số được bộ lọc cho qua thì biên độ của nó không bị ảnh hưởng. bộ lọc thông thấp (low-pass filter) bộ lọc thông cao (high-pass filter) bộ lọc thông dãy (band-pass filter) bộ lọc chắn dãy (band-stop filter)  C.B. Pham 4-43 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Bộ lọc thông thấp Mạch lọc thụ động Mạch lọc tích cực  C.B. Pham 4-44 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Mạch lọc tích cực hai tầng  C.B. Pham 4-45 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Thí dụ: Xét mạch lọc tích cực 2 tầng với hằng số thời gian  = 0.01. Xác định độ suy giảm tín hiệu ở tần số 60 Hz. Giải: Thế s = j = 377j vào trong hàm truyền  C.B. Pham 4-46 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Xét  = 1, mạch lọc 1 tầng Xét  = 1, mạch lọc 2 tầng  C.B. Pham 4-47 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Thiết kế bộ lọc Thiết kế bộ lọc là việc xác định hằng số thời gian . Nếu hệ số suy giảm là A và tần số cần lọc là s thì: • Đối với bộ lọc 1 tầng: • Đối với bộ lọc 2 tầng: với A = Biên độ trước khi lọc Biên độ sau khi lọc Thí dụ: Thiết kế mạch lọc thông thấp tích cực một tầng có hệ số suy giảm là 25 đối với tín hiệu tần số 60 Hz. Tính giá trị điện trở R khi tụ điện C trong mạch RC có giá trị 10 F. Giải:  C.B. Pham 4-48 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Bộ lọc thông cao / thông dãy / chắn dãy Mạch lọc thông cao Mạch lọc thông dãy Mạch lọc chắn dãy  C.B. Pham 4-49 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Decibels (db) Hệ số của các mạch khuếch đại và mạch lọc thường được biễu diễn ở dạng decibels (db, Alexander Graham Bell). Hệ thống decibels mở rộng những giá trị khuếch đại nhỏ và nén lại những giá trị khuếch đại lớn. • A = 1 (không tăng / giảm)  Adb = 0 db • A = 2 (giá trị tín hiệu ra gấp 2 lần giá trị tín hiệu vào  Adb = 6 db • A = 0.5 (giá trị tín hiệu ra bằng phân nữa giá trị tín hiệu vào  Adb = -6 db  C.B. Pham 4-50 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự Hệ thống decibels rất tiện lợi trong việc tính hệ số khuếch đại của cả hệ thống. Lưu ý:  C.B. Pham 4-51 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự • Tuyến tính hóa Q DP 0 0 10 1 20 4 30 9 40 16 50 25 60 36 70 49 80 64 90 81 100 100 DP cm 0 0 1 10 4 20 9 30 16 40 25 50 36 60 49 70 64 80 81 90 100 100  C.B. Pham 4-52 4.3. Xử lý tín hiệu tương tự - Đường cong của bộ tuyến tính đối xứng với đường đặc tính của phần tử phi tuyến qua đường thẳng x = y. - Đường cong của bộ tuyến tính có thể được nội suy xấp xỉ bằng tập hợp những đoạn thẳng.  C.B. Pham 4-53 4.3. Xử lý tín hiệu số • Cách ly - Đường tín hiệu chỉ đi theo một chiều, do đó mạch này bảo vệ bộ điều khiển khỏi sự ảnh hưởng của những xung điện do phụ tải tạo nên.  C.B. Pham 4-54 4.3. Xử lý tín hiệu số Trong những hệ thống điều khiển số, những công việc sau đây luôn hiện hữu. • Chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (hệ thống thu nhận dữ liệu) • Chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (hệ thống phân phối dữ liệu) và chúng liên quan đến hai vấn đề: lấy mẫu dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu. • Lấy mẫu - Để rút ra những thông tin quan trọng của tín hiệu được đo (tín hiệu tương tự) - Với những thông tin đã có, bộ điều khiển số có thể xử lý và tái tạo lại tín hiệu gốc ban đầu .  C.B. Pham 4-55 4.3. Xử lý tín hiệu số  C.B. Pham 4-56 4.3. Xử lý tín hiệu số Mạch lấy mẫu và giữ - Để lấy mẫu, công tắc được đóng lại trong một khoảng thời gian đủ để tụ nạp đến giá trị Vin. Khi công tắc được nhả ra, giá trị điện thế được giữ nguyên. - Thời gian công tắc đóng lại (t) được xác định như sau (trong khoảng thời gian này, tụ có thể nạp đến 99% giá trị Vin)  C.B. Pham 4-57 4.3. Xử lý tín hiệu số Ảnh hưởng của tần số lấy mẫu  C.B. Pham 4-58 4.3. Xử lý tín hiệu số Định lý lấy mẫu (tiêu chuẩn Nyquist) Tất cả thông tin của tín hiệu gốc có thể được phục hồi nếu nó được lấy mẫu với tần số (fs) lớn gấp ít nhất 2 lần tần số cao nhất (fh) trong tín hiệu gốc. Thời gian lấy mẫu: Tần số bí danh (Alias frequency) Khi một tín hiệu được lấy mẫu với tần số (fs) nhỏ hơn hai lần tần số cao nhất (fh) trong tín hiệu gốc, thành phần có tần số cao sẽ được nhận diện ở thành phần có tần số thấp hơn (tần số bí danh).  C.B. Pham 4-59 4.3. Xử lý tín hiệu số Tần số Nyquist Tất cả những thành phần có tần số f lớn hơn tần số Nyquist (fN) sẽ được nhận diện ở tần số nhỏ hơn fN thông qua biểu đồ xếp.  C.B. Pham 4-60 4.3. Xử lý tín hiệu số Thí dụ: Một tín hiệu dao động 10 Hz được lấy mẫu ở tần số 12 Hz. Hãy cho biết với tần số lấy mẫu này, thì tín hiệu nguồn nên có tần số cao nhất là bao nhiêu mới có thể nhận diện được đúng? Xác định tần số bí danh (alias frequency) Giải: Tần số Nyquist Đây chính là tần số cao nhất mà có thể được nhận diện đúng ở tần số lấy mẫu 12 Hz. Những tần số cao hơn fN sẽ bị nhận diện ở tần số bí danh fa (0  fa  fN). Ta có: Kết quả trên có nghĩa là tín hiệu 10 Hz được lấy mẫu ở tần số 12 Hz sẽ cho kết quả giống như một tín hiệu 2 Hz được lấy mẫu ở tần số 12 Hz.  C.B. Pham 4-61 4.3. Xử lý tín hiệu số Chu kỳ lấy mẫu: nếu N là số lần lấy mẫu thì chu kỳ lấy mẫu tín hiệu (tổng thời gian lấy mẫu) là N.t. 2 tiêu chuẩn lấy mẫu: Với mn là số nguyên dương cho tất cả các thành phần của tín hiệu (T1, T2, , Tn)  C.B. Pham 4-62 4.3. Xử lý tín hiệu số Thí dụ: Cho tín hiệu sau: . Xác định tần số lấy mẫu và chu kỳ lấy mẫu để tránh gây ra sai số. Giải: N N.t = mT m 1 0.05 0.2 2 0.10 0.4 3 0.15 0.6 4 0.20 0.8 5 0.25 1.0 Lấy mẫu 5 lần với tần số lấy mẫu là 20  C.B. Pham 4-63 4.3. Xử lý tín hiệu số Thí dụ: Cho tín hiệu sau: . Xác định tần số lấy mẫu và chu kỳ lấy mẫu để tránh gây ra sai số. Giải: N N.t = m1T1 = m2T2 m1 m2 5 0.25 1 0.63 8 0.40 1.6 1 30 1.50 6 3.75 40 2.00 8 5 50 2.50 10 6.25 Lấy mẫu 40 lần với tần số lấy mẫu là 20  C.B. Pham 4-64 4.3. Xử lý tín hiệu số • Chuyển đổi dữ liệu (số - tương tự) Lưu ý: khi n càng lớn, vomax tiến dần đến vFS  C.B. Pham 4-65 4.3. Xử lý tín hiệu số Bộ chuyển đổi số - tương tự - kiểu tầng điện trở (stepped resistor)  C.B. Pham 4-66 4.3. Xử lý tín hiệu số Bộ chuyển đổi số - tương tự - kiểu mạng R-2R (R-2R network)  C.B. Pham 4-67 4.3. Xử lý tín hiệu số • Chuyển đổi dữ liệu (tương tự - số)  C.B. Pham 4-68 4.3. Xử lý tín hiệu số Bits (n) Resolution, Q (vFS = 10) 2 2.5 4 0.625 8 0.039 12 0.0024 16 0.15 10-3 18 0.0381 10-3 vin (vFS = 10) Bits (n) Error (eQ =  Q/2) 100 mV 8  19.5 mV 100 mv 12  1.2 mV 1 V 8  19.5 mV 1 V 12  1.2 mV  C.B. Pham 4-69 4.3. Xử lý tín hiệu số Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật đếm nhị phân  C.B. Pham 4-70 4.3. Xử lý tín hiệu số  C.B. Pham 4-71 4.3. Xử lý tín hiệu số Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật gần đúng liên tiếp  C.B. Pham 4-72 4.3. Xử lý tín hiệu số  C.B. Pham 4-73 4.3. Xử lý tín hiệu số Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật đường dốc đơn  C.B. Pham 4-74 4.3. Xử lý tín hiệu số  C.B. Pham 4-75 4.3. Xử lý tín hiệu số Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật đường dốc kép  C.B. Pham 4-76 4.3. Xử lý tín hiệu số - Tốc độ chuyển đổi: chậm - Có độ chính xác cao  C.B. Pham 4-77 4.3. Xử lý tín hiệu số Bộ chuyển đổi tương tự - số – kỹ thuật song song - Tốc độ chuyển đổi: rất nhanh - Cần (2n – 1) bộ so sánh