Chapter 2new

Chöông 2 Xử lí tín hiệu (Signal conditioning)

Nội dung 

2.1 Giới thiệu



2.2 Các kiểu xử lý tín hiệu



2.3 Phân loại khâu xử lý tín hiệu

2.1 Giới thiệu    

Tín hiệu điện ngõ ra của chuyển đổi/sensor cần được biến đổi cho phù hợp với ngõ vào của phần cứng DAQ. Một số chuyển đổi/sensor cần nguồn kích thích hoặc cầu Wheaton và tuyến tính hóa để tín hiệu đo được chính xác. Hầu hết các hê DAQ đều bao gồm khâu xử lý tín hiệu dưới một hình thức nào đó. Các chức năng cơ bản mà khâu xử lý tín hiệu có thể thực hiện là:  Khuếch đại  Cách ly  Lọc  Kích thích  Tuyến tính hóa

2.1 Giới thiệu (cont’) 

Khâu xử lý tín hiệu của hệ DAQ phải thực hiện nhiệm vụ nào và cách thức thực hiện phụ thuộc vào số lượng và loại chuyển đổi/sensor, yêu cầu về nguồn kích thích và nối đất cho sensor, đồng thời không kém phần quan trọng là khoảng cách từ cảm biến tới PC trung tâm

2.2 Các kiểu xử lý tín hiệu 

2.2.1 Khuếch đại  Là nhiệm vụ chính yếu của khâu xử lý tín hiệu nhằm:  Tăng độ phân giải cho phép đo (nhiệm vụ chính)  Tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR)  Tăng độ phân giải tối đa bằng cách nào?  VD: Tín hiệu ngõ ra sensor 0-10mV nếu đưa trực tiếp vào ADC 12bit với full-scale 10V ( độ phân giải 2.44mV ): chỉ phân biệt được 4 mức

2.2.1 Khuếch đại (cont’) 

Tăng SNR: tín hiệu nhỏ ở ngõ ra của sensor cách xa phần cứng DAQ nếu được truyền trong môi trường nhiễu sẽ bị ảnh hưởng lớn của nhiễu. Nếu tín hiệu nhỏ (bị nhiễu) này được khuếch đại tại phần cứng DAQ sau khi được truyền qua môi trường nhiễu thì nhiễu trong tín hiệu này cũng được khuếch đại như tín hiệu cần đo. Nếu nhiễu so sánh được với tín hiệu cần đo ( SNR thấp) sẽ dẫn đến sai số lớn cho phép đo và phép đo là vô nghĩa.

2.2.1 Khuếch đại (cont’) 

Tăng SNR bằng cách khuếch đại tín hiệu nhỏ ở đầu ra sensor trước khi truyền.  VD: Cặp nhiệt loại J có độ nhạy 50uV/0C. Nếu tín hiệu đầu ra cặp nhiệt được truyền trong môi trường có nhiễu lớn với khoảng cách 10m, nhiễu đặt lên tín hiệu của cặp nhiệt có thể lên đến 200uV dẫn đến sai số đến 4oC. Nếu khuếch đại tín hiệu tại đầu ra cặp nhiệt lên 500 lần thì độ nhạy lúc này là 25mV/0C, sai só do nhiễu lúc này (hàng uV) là rất nhỏ

2.2.2 Cách ly 

Cách ly dùng Opto : thường dùng cho tín hiệu số



Cách ly bằng phương pháp từ trường/điện trường dùng cho tín hiệu tương tự: điều chế tín hiệu điện áp thành tần số, sau đó truyền tín hiệu tần số bằng biến áp/tụ và biến đổi tần số thành điện áp ở đầu ra

2.2.2 Cách ly (cont’)

Cách ly bằng biến áp

2.2.2 Cách ly (cont’) Cách ly giúp bảo vệ thiết bị phần cứng DAQ, PC cũng như người vận hành khỏi điện áp cao trong quaù trình quaù ñoä, sét hay tĩnh điện cũng như hỏng hóc của các thiết bị cao áp  Các bộ bảo vệ quá áp được đặt ở đầu vào của khâu xử lý tín hiệu để bảo vệ khâu này.  Cách ly còn nhằm đảm bảo vòng nối đất, điện áp cách chung (xét ở phần sau) không ảnh hưởng đến tín hiệu đo 

2.2.3. Mạch Lọc 

Mạch lọc nhằm loại bỏ nhiễu ra khỏi tín hiệu cần đo trước khi tín hiệu này được khuếch đại và đưa vào ADC



Có thể lọc bằng phần cứng hoặc phần mềm 

Lọc mềm: đọc tín hiệu đo nhiều lần hơn cần thiết và lấy trung bình. Phương pháp này loại bỏ được nhiễu tuần hoàn hoàn toàn nếu các mẫu được trung bình hóa trong một chu kỳ của nhiễu



Lọc bằng phần cứng (bài tập)

2.2.3. Mạch Lọc 

Lọc bằng phần cứng: các mạch lọc analog (passive and ative) là rẻ nhất, các thông số:  Tần

số cắt

 Roll-off:

độ dốc của đường cong biên độ theo tần số tại tần số cắt



Q-factor: quyết định độ lợi của mạch lọc tại tần số cộng hưởng và roll-off

 Cách

tính toán mạch lọc (xem lecture notes provided)

2.2.4. Tuyến tính hóa 

Quan hệ giữa ngõ ra của sensor và tín hiệu đầu vào cần đo thường là phi tuyến



Phầm mềm của hệ DAQ thường thực hiện chức năng tuyến tính hóa



Nếu mối quan hệ phi tuyến là dự đoán được và có tính lặp lại thì có thể tuyến tính hóa bằng phần cứng

2.3 Phân loại khâu xử lý dữ liệu 

2.3.1. Các mạch xử lý tín hiệu cắm vào PC 

Mạch xử lý tín hiệu nằm trên phần cứng DAQ cắm vào PC như hình



Mỗi mạch xử lí tín hiệu cho một loại sensor



Sử dụng cho ứng dụng nhỏ với số lượng sensor ít và nằm gần PC

2.3.1. Các mạch xử lý tín hiệu cắm vào PC (cont’)

2.3.2 Các bộ phát 2 dây nối trực tiếp Bộ phát 2 dây là module xử lý dữ liệu 2 cửa: nhận tín hiệu cần xử lý ở đầu vào và xuất tín hiệu đã xử lý ở đầu ra  Mỗi module cho một loại sensor/actuator  Không phải là thiết bị thông minh và không có ADC  Tín hiệu đã được xử lý được truyền về phần cứng hệ DAQ tại PC bằng 2 dây, tín hiệu truyền có thể là điện áp hoặc mạch vòng dòng điện (4-20)mA 

2.3.2 Các bộ phát 2 dây nối trực tiếp Tín hiệu truyền điện áp (+-10V hoặc 0-10V) tương thích với hầu hết với đầu vào các mạch DAQ cho phép giao tiếp dễ dàng với các board DAQ hiện đại. Tuy nhiên sự sụt áp trên dây truyền nếu khoảng cách xa là một hạn chế vì vậy chỉ dùng phương pháp truyền điện áp khi đường truyền ngắn  Tín hiệu dòng điện có khả năng miễn nhiễm với nhiễu cao và có thể truyền với khoảng cách hàng trăm m (lên đến 1000m). Bộ thu chuyển dòng sang áp để đưa vào ADC. Bộ thu thường là một điện trở với giá trị (?) 

2.3.2 Các bộ phát 2 dây nối trực tiếp Mỗi cặp cáp truyền cho một sensor riêng lẻ nhiều cáp  Nguồn cung cấp (15-40V) cần đủ công suất cung cấp dòng cho các modules theo yêu cầu  Sơ đồ khối của một bộ phát 2 dây trực tiếp như trang 19 

2.3.2 Các bộ phát 2 dây nối trực tiếp

Sơ đồ khối bộ phát 2 dây trực tiếp

2.3.2 Các bộ phát 2 dây nối trực tiếp

Cấu trúc hệ DAQ dùng các bộ phát 2 dây trực tiếp

2.3.3. Vào/ra phân tán - bộ phát số Nhắc lại (chapter 1)  Sơ đồ khối: 

2.3.3 Vào/ra phân tán - bộ phát số (tt) Maïch xöû lyù tín hieäu vaøo/ra phaân taùn söû duïng boä phaùt soá

2.3.3 Vào/ra phân tán - bộ phát số (tt) Maïch xöû lyù tín hieäu vaøo/ra phaân taùn söû duïng boä phaùt soá rieâng bieät

2.4. Nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu 

2.4.1 Khái niệm  Nhiễu:

tín hiệu điện không mong muốn trong

mạch  Không

thể triệt nhiễu hoàn tòan mà chỉ có thể giảm biên độ nhiễu cho đến khi biên độ của nó không gây ảnh hưởng lên tín hiệu đo

2.4. Nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu 

2.4.2. Nguồn nhiễu và phân loại nhiễu  3 thành phần tham gia quá trình sinh nhiễu:

 Các

hình thức gây nhiễu thường gặp trong hệ DAQ  Ghép nói hỗ cảm (inductive coupling)  Ghép nối điện dung (capacitive coupling)  Ghép nối điện trở (conductive coupling)

Conductive coupling

Capacitive coupling

Inductive coupling

Inductive coupling

Inductive coupling

2.4.2. Chống nhiễu Dùng cáp có vỏ bọc và nối đất vỏ bọc : giảm nhiễu do tương hổ điện dung gây ra  Viết công thức điện áp nhiễu 

2.4.2. Chống nhiễu (cont’) nối đất vỏ cáp (hình trang 32)  Viết công thức điện áp nhiễu 

Dùng cáp có vỏ bọc và xoắn đôi  Dùng cáp xoắn đôi  Dùng cáp đồng trục 