Chương 4: Xử Lý Tín Hiệu Trong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động

Xử lý tín hiệu là một phần quan trọng trong kỹ thuật điều khiển tự động. 66 trang · HCM City University of Technology.

• Tác giả: Phung Tri Cong
• Trường học: HCM City University of Technology
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động
• Đề tài: Xử Lý Tín Hiệu Trong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động
• Loại tài liệu: bài giảng
• Địa điểm: HCM City

Mục lục chi tiết

• 4. CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU
• 4.1. BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OP-AMP)
• 4.2. CÁC MẠCH OP-AMP CƠ BẢN
• 4.3. XỬ LÝ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ
• 4.4. XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Xử Lý Tín Hiệu Trong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động

Xử lý tín hiệu là một phần quan trọng trong kỹ thuật điều khiển tự động. Nó bao gồm các phương pháp chuyển đổi tín hiệu sơ cấp thành tín hiệu có thể sử dụng được. Các công việc xử lý tín hiệu thường gặp bao gồm cách ly, khuếch đại, lọc và chuyển đổi tín hiệu. Những kỹ thuật này giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất của hệ thống điều khiển.

1.1. Định Nghĩa Xử Lý Tín Hiệu

Xử lý tín hiệu là quá trình biến đổi tín hiệu từ dạng này sang dạng khác để phục vụ cho các ứng dụng trong hệ thống điều khiển.

1.2. Vai Trò Của Xử Lý Tín Hiệu

Xử lý tín hiệu giúp cải thiện chất lượng tín hiệu, giảm nhiễu và tăng cường khả năng phân tích trong các hệ thống điều khiển tự động.

II. Những Thách Thức Trong Xử Lý Tín Hiệu

Trong quá trình xử lý tín hiệu, nhiều thách thức xuất hiện như nhiễu tín hiệu, độ chính xác của cảm biến và khả năng xử lý của bộ điều khiển. Những vấn đề này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống điều khiển tự động.

2.1. Nhiễu Tín Hiệu

Nhiễu tín hiệu có thể làm giảm độ chính xác của dữ liệu thu thập được từ cảm biến, gây khó khăn trong việc phân tích và điều khiển.

2.2. Độ Chính Xác Của Cảm Biến

Độ chính xác của cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng tín hiệu đầu vào, từ đó tác động đến hiệu quả của hệ thống điều khiển.

III. Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu Hiệu Quả

Có nhiều phương pháp xử lý tín hiệu trong kỹ thuật điều khiển tự động. Các phương pháp này bao gồm khuếch đại, lọc và chuyển đổi tín hiệu. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và ứng dụng riêng.

3.1. Khuếch Đại Tín Hiệu

Khuếch đại tín hiệu giúp tăng cường biên độ của tín hiệu, đảm bảo rằng tín hiệu đủ mạnh để được xử lý bởi các thiết bị tiếp theo.

3.2. Lọc Tín Hiệu

Lọc tín hiệu giúp loại bỏ nhiễu và các thành phần không mong muốn, đảm bảo rằng tín hiệu đầu ra là chính xác và đáng tin cậy.

3.3. Chuyển Đổi Tín Hiệu

Chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số và ngược lại là một bước quan trọng trong việc xử lý tín hiệu, giúp hệ thống có thể hoạt động hiệu quả hơn.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Xử Lý Tín Hiệu

Xử lý tín hiệu có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, từ các hệ thống điều khiển công nghiệp đến các thiết bị điện tử tiêu dùng. Những ứng dụng này giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống.

4.1. Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Trong công nghiệp, xử lý tín hiệu được sử dụng để giám sát và điều khiển các quy trình sản xuất, đảm bảo rằng mọi thứ hoạt động trơn tru.

4.2. Ứng Dụng Trong Thiết Bị Điện Tử

Các thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại thông minh và máy tính bảng cũng sử dụng xử lý tín hiệu để cải thiện trải nghiệm người dùng.

V. Kết Luận Về Xử Lý Tín Hiệu Trong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động

Xử lý tín hiệu là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điều khiển tự động. Nó không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống mà còn đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu. Tương lai của xử lý tín hiệu hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ.

5.1. Tương Lai Của Xử Lý Tín Hiệu

Với sự phát triển của công nghệ, các phương pháp xử lý tín hiệu sẽ ngày càng trở nên tinh vi và hiệu quả hơn, mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực điều khiển tự động.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu trong lĩnh vực xử lý tín hiệu sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các hệ thống điều khiển tự động hiện đại.

Nội dung chính

TÀI LIỆU HỌC THUẬT: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG – CHƯƠNG 4: XỬ LÝ TÍN HIỆU

Tổng quan về giáo trình

Tài liệu bài giảng học thuật "Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động" do tác giả Phùng Trí Công (Phung Tri Cong) biên soạn thuộc Khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM (HCM City University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering). Trong cấu trúc chương trình đào tạo kỹ sư khối ngành kỹ thuật cơ khí, cơ điện tử và tự động hóa, học phần này đóng vai trò cầu nối kiến thức giữa lý thuyết hệ thống điều khiển và kỹ thuật ghép nối phần cứng thực tế. Cụ thể, "Chương 4: Xử lý tín hiệu" tập trung phân tích các giải pháp chuyển đổi tín hiệu sơ cấp thu nhận từ cảm biến thành tín hiệu điện chuẩn để các phần tử điều khiển kế tiếp tiếp nhận và xử lý.

Mục tiêu học tập (learning outcomes) của tài liệu bao gồm việc trang bị cho người học khả năng phân tích và thiết kế các khối chức năng xử lý tín hiệu chuyên dụng: cách ly và biến đổi trở kháng, khuếch đại tín hiệu, lọc chống nhiễu, tuyến tính hóa đặc tính cảm biến, lấy mẫu tín hiệu và chuyển đổi tương hỗ giữa tín hiệu tương tự (analog) và tín hiệu số (digital).

Cấu trúc tài liệu được tổ chức theo phương pháp tiếp cận phân tầng có tính hệ thống cao: bắt đầu từ các định lý giải tích và 5 giả thiết lý tưởng của bộ khuếch đại thuật toán (Op-amp), khảo sát các mạch ứng dụng kinh điển, mở rộng sang các kỹ thuật xử lý tương tự (cầu Wheatstone, bộ lọc tích cực, thang đo Decibels, tuyến tính hóa đồ thị) và hoàn thiện ở các nguyên lý số hóa dữ liệu (mạch trích mẫu - giữ mẫu, định lý lấy mẫu Nyquist và hiện tượng tần số bí danh). Điểm đặc sắc của tài liệu là phương pháp trình bày cô đọng, bám sát các phương trình toán học thực nghiệm và đưa ra các bài toán thiết kế thông số cụ thể gắn liền với ứng dụng kỹ thuật thực tế.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung tài liệu được phân chia thành 6 chủ đề kỹ thuật cốt lõi theo tiến trình logic chặt chẽ:

1. Tổng quan về xử lý tín hiệu và linh kiện Op-amp cơ bản: Định nghĩa chức năng bộ xử lý tín hiệu; liệt kê 6 nhiệm vụ xử lý cơ bản; giới thiệu Op-amp với hệ số khuếch đại hở $A \ge 100000$, trở kháng vào $R_{in} \ge 1\text{ M}\Omega$, trở kháng ra $R_{out} = 50 - 75\ \Omega$; xác lập 5 giả thiết làm việc lý tưởng trong vùng tuyến tính ($A = \infty \Rightarrow v_1 = v_2$; $R_{in} = \infty \Rightarrow i_1 = i_2 = 0$; $R_{out} = 0$; băng thông vô hạn; $V_{out} = 0$ khi $v_1 = v_2$).
2. Hệ thống mạch chức năng Op-amp tuyến tính và phi tuyến: Khảo sát nguyên lý và thiết lập phương trình điện áp cho mạch so sánh, mạch lặp điện áp (voltage follower), mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại không đảo, mạch tổng, mạch khuếch đại vi sai, mạch khuếch đại thiết bị (Instrumentation Amplifier), mạch tích phân, mạch vi phân và mạch tạo hàm phi tuyến (mạch căn bậc hai).
3. Kỹ thuật xử lý tín hiệu tương tự và chuyển đổi phối hợp: Phân tích phương pháp cách ly quang học (optical coupling) và cách ly biến áp (transformer coupling); thiết kế mạch chuyển đổi chuẩn dòng - áp ($20\text{ mA} \leftrightarrow 5\text{ V}$ và $12\text{ Vdc} \leftrightarrow 20\text{ mA}$).
4. Phương pháp đo lường trở kháng bằng mạch cầu Wheatstone: Khảo sát mạch cầu cân bằng truyền thống (tính giá trị $R_s$ thông qua biến trở cân chỉnh $R_3$); mạch cầu tự cân bằng sử dụng bộ điều khiển cân bằng (null controller); mạch cầu bất đối xứng kết hợp mạch khuếch đại thiết bị đo điện áp vi sai tỉ lệ với độ lệch $(R_s - R_{bal})$.
5. Kỹ thuật lọc chống nhiễu và thang đo Decibels: Phân loại 4 nhóm bộ lọc (thông thấp, thông cao, thông dải, chắn dải); so sánh cấu trúc mạch lọc thụ động và tích cực (1 tầng và 2 tầng); công thức tính hằng số thời gian $\tau$ và hệ số suy giảm $A$; nguyên lý biểu diễn tỷ số khuếch đại theo thang logarit Decibels ($A_{dB} = 20\log_{10}A$) theo chuẩn Alexander Graham Bell.
6. Tuyến tính hóa và Xử lý tín hiệu số: Kỹ thuật tuyến tính hóa dữ liệu phi tuyến (dữ liệu lưu lượng $Q$ và độ sụt áp $\Delta P$) bằng phương pháp lấy đối xứng qua trục $y = x$ và xấp xỉ đoạn thẳng; mạch lấy mẫu và giữ (Sample and Hold); Định lý lấy mẫu Nyquist ($f_s \ge 2 f_h$), phân tích hiện tượng tần số bí danh (Alias frequency) và biểu đồ xếp (folding diagram).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Lý thuyết nền tảng (Fundamental theories): Lý thuyết khuếch đại thuật toán vi sai, lý thuyết hàm truyền Laplace ($s = j\omega$) trong miền tần số của mạch lọc RC, lý thuyết phân tích mạch cầu điện trở giải tích và định lý lấy mẫu tín hiệu rời rạc Whittaker-Nyquist-Kotelnikov-Shannon.
• Nguyên lý cốt lõi (Core principles): Nguyên lý đất ảo (virtual ground) và không dòng ngõ vào của Op-amp lý tưởng; nguyên lý cân bằng nút cầu Wheatstone; nguyên lý phản xạ tần số qua tần số Nyquist ($f_N = f_s / 2$).
• Khung cấu trúc thiết kế (Essential frameworks): Khung quy chuẩn phối hợp mức tín hiệu công nghiệp ($0-5\text{ V}, 4-20\text{ mA}$); quy trình tính toán hằng số thời gian $\tau$ cho bộ lọc tích cực bậc 1 và bậc 2 theo tần số cắt $\omega_s$.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Tính toán lựa chọn thông số linh kiện điện trở ($R$), tụ điện ($C$) cho các mạch khuếch đại phân kỳ, mạch tích phân tránh bão hòa nguồn, và mạch lọc thông thấp tích cực.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích hàm truyền tín hiệu, xác định hệ số suy giảm tín hiệu nhiễu lưới điện công nghiệp ($60\text{ Hz}$), tính toán chính xác tần số bí danh $f_a$ khi hệ thống lấy mẫu vi phạm điều kiện Nyquist.
• Năng lực thực hành ứng dụng (Practical competencies): Thiết kế mạch ghép nối cảm biến nhiệt độ - độ ẩm vào hệ thống điều hòa HVAC; cấu hình mạch chuyển đổi dòng - áp cho các thiết bị điều khiển logic khả trình và bộ điều khiển nhúng.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp tiếp cận sư phạm suy diễn kết hợp giải quyết bài toán kỹ thuật (Problem-Based Learning). Mỗi phần lý thuyết đều đi kèm với mô hình toán học tường minh, sơ đồ nguyên lý mạch điện và các bài toán mẫu có lời giải chi tiết:

• Bài toán khuếch đại tín hiệu cảm biến: Thiết kế mạch khuếch đại đảo và không đảo cho cảm biến đo có tầm điện áp ra $0 - 100\text{ mV}$ chuyển đổi sang dải chuẩn $0 \text{ đến } -5\text{ V}$ hoặc $0 \text{ đến } +5\text{ V}$, qua đó xác lập hệ số khuếch đại $A = 50$ và phương pháp chọn cặp giá trị $R_i, R_f$.
• Bài toán giao tiếp hệ thống điều hòa tòa nhà: Thiết kế mạch tổng khuếch đại có hệ số $A = 5$ kết hợp mạch đảo dấu ($A = 1$) để phối hợp tín hiệu từ hai cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (tổng mức $1\text{ V}$) nhằm tạo điện áp kích hoạt ngưỡng $5\text{ V}$.
• Bài toán bão hòa điện áp mạch tích phân: Phân tích mạch tích phân với tín hiệu vào hằng số $100\text{ mV}$, $R = 10\text{ k}\Omega$, $C = 1\ \mu\text{F}$; xác định thời điểm $t_2$ Op-amp đạt ngưỡng bão hòa $-16\text{ V}$ khi biết giá trị tại $t_1 = 5\text{ s}$ là $+10\text{ V}$.
• Bài toán chuyển đổi tín hiệu tương tự công nghiệp: Tính toán mạch biến đổi tín hiệu dòng $20\text{ mA}$ sang áp $5\text{ V}$ và từ áp $12\text{ Vdc}$ sang dòng $20\text{ mA}$.
• Bài toán cầu Wheatstone và mạch lọc chống nhiễu: Tính toán điện trở cảm biến $R_s$ khi cầu cân bằng ($R_2 = 500\ \Omega, R_3 = 226\ \Omega, R_4 = 1000\ \Omega$); thiết kế mạch lọc thông thấp tích cực một tầng có hệ số suy giảm $A = 25$ đối với tín hiệu nhiễu tần số $60\text{ Hz}$ với $C = 10\ \mu\text{F}$.
• Bài toán nhận diện tần số bí danh (Aliasing): Phân tích tín hiệu dao động $10\text{ Hz}$ được lấy mẫu ở tần số $12\text{ Hz}$, tính toán tần số Nyquist $f_N = 6\text{ Hz}$ và xác định tần số bí danh thu được trên thực tế là $2\text{ Hz}$ qua biểu đồ xếp.

Phương pháp đánh giá kết quả học tập tập trung vào khả năng thiết lập phương trình quan hệ vào - ra ($V_{out} = f(V_{in})$), năng lực giải bài toán mạch lọc trong miền tần số phức $s = j\omega$, và kỹ năng tính toán chu kỳ lấy mẫu $N \cdot T_s$ đáp ứng các tiêu chuẩn khôi phục tín hiệu. Đối với sinh viên tự học, giáo trình định hướng quy trình: nắm vững 5 giả thiết Op-amp lý tưởng $\to$ tự suy dẫn công thức hàm truyền $\to$ giải các bài tập mẫu $\to$ kiểm tra điều kiện bão hòa và điều kiện lấy mẫu Nyquist.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Nội dung tài liệu thể hiện tính nhất quán và hệ thống cao thông qua các điểm kỹ thuật nổi bật:

• Tích hợp liên tục chuỗi xử lý Tương tự - Số (Analog-to-Digital Processing Chain): Khác với các tài liệu chỉ thuần túy khảo sát lý thuyết mạch điện rời rạc, giáo trình xâu chuỗi toàn bộ quá trình xử lý tín hiệu thực tế: từ cảm biến $\to$ cách ly $\to$ khuếch đại $\to$ lọc nhiễu $\to$ tuyến tính hóa $\to$ lấy mẫu và giữ $\to$ số hóa.
• Chuẩn hóa thang đo và thông số công nghiệp: Các ví dụ tính toán đều dựa trên các thông số thực tế của ngành tự động hóa: mức tín hiệu cảm biến $0-100\text{ mV}$, dải điện áp $0-5\text{ V}$, mức nguồn điều khiển $12\text{ Vdc}$, chuẩn truyền dòng $4-20\text{ mA}$ và tần số nhiễu điện lưới công nghiệp $60\text{ Hz}$.
• Minh họa trực quan các hiện tượng phi tuyến và méo dạng tín hiệu: Cung cấp bảng dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ phi tuyến giữa lưu lượng $Q$ và chênh áp $\Delta P$, giải thích rõ phương pháp tuyến tính hóa đồ thị qua đường đối xứng $y = x$. Trình bày hiện tượng xếp phổ và sai lệch nhận diện tần số bí danh khi vi phạm tiêu chuẩn lấy mẫu Nyquist.
• Trình bày phương pháp đo vi sai độ chính xác cao: Phân tích sâu cấu trúc mạch khuếch đại thiết bị (Instrumentation Amplifier) với tầng đệm lặp điện áp giúp triệt tiêu dòng tải tác động ngược lên nguồn cảm biến, cân bằng trở kháng hai ngõ vào và cách ly mạch đo.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Cấp độ và Ngành đào tạo: Tài liệu được thiết kế phục vụ sinh viên bậc đại học từ năm thứ 2 đến năm thứ 4 thuộc các ngành: Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử. Ngoài ra, học viên cao học có thể sử dụng làm tài liệu tổng hợp khi nghiên cứu phần cứng thu thập dữ liệu (Data Acquisition - DAQ).
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites):
  • Mạch điện: Nắm vững các định luật Kirchhoff dòng điện ($KCL$), điện áp ($KVL$), định lý Thevenin/Norton và các mạch phân áp cơ bản.
  • Toán kỹ thuật: Phép tính vi tích phân, số phức, đại số ma trận và biến đổi Laplace ($s = \sigma + j\omega$).
  • Vật lý đại cương: Khái niệm cảm ứng điện từ, quang điện và hiện tượng nạp/xả tụ điện.
• Giảng viên và Cách sử dụng: Giảng viên có thể sử dụng tài liệu làm đề cương bài giảng chi tiết cho học phần Xử lý tín hiệu cảm biến hoặc phần cứng hệ thống điều khiển tự động. Các ví dụ tính toán số học có sẵn trong tài liệu phù hợp làm câu hỏi kiểm tra trên lớp và đề thi kết thúc học phần.
• Tự học và Tham khảo: Là tài liệu tra cứu kỹ thuật chuẩn cho các kỹ sư phát triển sản phẩm cơ điện tử cần thiết kế mạch giao tiếp cảm biến analog, bộ lọc chống nhiễu và lập trình thời gian trích mẫu cho vi điều khiển.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn cho sinh viên đại học, học viên sau đại học khối ngành Cơ khí, Cơ điện tử, Tự động hóa và kỹ sư phần cứng cần tài liệu kỹ thuật về thiết kế mạch phối hợp tín hiệu cảm biến.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần hoàn thành các học phần tiên quyết về Mạch điện cơ bản (KCL, KVL, mạch RC), Toán vi tích phân, Số phức và Biến đổi Laplace trong phân tích miền tần số.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Tài liệu tập trung trực diện vào ứng dụng điều khiển và đo lường tự động; kết hợp chặt chẽ giữa 5 giả thiết Op-amp lý tưởng, kỹ thuật cân bằng cầu Wheatstone, thiết kế bộ lọc tích cực RC và định lý lấy mẫu Nyquist trên các thông số kỹ thuật thực tế ($0-5\text{ V}, 20\text{ mA}, 60\text{ Hz}$).

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học nên tuân thủ quy trình: nắm vững các phương trình giải tích lý thuyết $\to$ vẽ lại sơ đồ mạch nguyên lý $\to$ tự tính toán lại toàn bộ các bước giải trong các ví dụ mẫu (như thiết kế mạch lọc $A = 25$ hay tính tần số bí danh $f_a$) $\to$ lập bảng tổng hợp các cấu hình mạch Op-amp.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Tài liệu tích hợp sẵn hệ thống bảng dữ liệu thực nghiệm (bảng số liệu tuyến tính hóa $Q - \Delta P$), đồ thị đáp ứng biên độ - tần số decibels, biểu đồ xếp phổ Nyquist và hệ thống bài tập thiết kế mạch có số liệu chuẩn.

---

Kết luận

Chương 4 "Xử lý tín hiệu" trong giáo trình "Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động" của tác giả Phùng Trí Công (Khoa Cơ khí – Đại học Bách Khoa TP.HCM) cung cấp nền tảng lý thuyết mạch và kỹ thuật thiết kế hoàn chỉnh cho khâu tiền xử lý tín hiệu trong các hệ thống điều khiển. Lộ trình học tập đề xuất đi từ việc phân tích 5 giả thiết Op-amp lý tưởng, hiện thực hóa các mạch chức năng tương tự cơ bản, làm chủ kỹ thuật đo cầu Wheatstone và mạch lọc tích cực, đến việc áp dụng định lý lấy mẫu Nyquist trong các hệ thống điều khiển số. Nguồn tài liệu hỗ trợ bao gồm các công thức hàm truyền giải tích, bài toán số liệu mẫu và bảng quy đổi đơn vị Decibels, tạo cơ sở phục vụ cho cả hoạt động giảng dạy, học tập và ứng dụng kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.