Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. Xử lý tín hiệu HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4.02 Chương 4 GIỚI THIỆU • 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.
HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4.03 Chương 4 GIỚI THIỆU Bộ khuếch đại thuật toán là phần tử căn bản trong các mạch xử lý tín hiệu HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. 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) HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OP-AMP) Xét hệ số khuếch đại A = 100000 HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. 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.
HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN Mạch so sánh HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4.
CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4.
CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN Mạch lặp điện áp HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN Mạch khuếch đại đảo Ví 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: HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN Mạch khuếch đại không đảo Ví 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: HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN Mạch tổng Nếu Ví 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. HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. 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 HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN Mạch khuếch đại vi sai Nếu và HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. 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 … HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN Mạch tích phân HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN Ví 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: HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN Mạch vi phân HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. 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 HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. XỬ LÝ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ Cách ly và biến đổi trở kháng - Bảo toàn tín hiệu được đo. - Bảo vệ thiết bị đo. Optical coupling Transformer coupling HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. 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 HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4.
XỬ LÝ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ Ví dụ: Thiết kế mạch chuyển đổi một tín hiệu 20 mA thành tín hiệu 5 V. Giải: Ví dụ: Thiết kế mạch chuyển đổi một tín hiệu 12 Vdc thành tín hiệu 20 mA. Giải: HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4.
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. HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4.
XỬ LÝ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ Mạch cầu cân bằng: Ví dụ: Một mạch cầu Wheatstone được dùng Giải: 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.
HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. 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. HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. XỬ LÝ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ Ta có: HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. 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).
HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4. XỬ LÝ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ Ta có: Đặt: và HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4.
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 bộ lọc thông cao bộ lọc thông dãy bộ lọc chắn dãy (low-pass filter) (high-pass filter) (band-pass filter) (band-stop filter) HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4.
XỬ LÝ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ Bộ lọc thông thấp Mạch lọc thụ động Mạch lọc tích cực HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 4.