Các phương pháp xử lý tín hiệu đo lường trước và sau bộ biến đổi ADC

HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

Các phương pháp xử lý tín hiệu đo lường trước và sau bộ biến
đổi ADC
Nguyễn Tiến Sỹ1, *, Kim Thị Cẩm Ánh2, Hà Thị Chúc3
1,2,3 Khoa Cơ

điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam,

THƠNG TIN BÀI BÁO

TĨM TẮT

Q trình:
Nhận bài 15/6/2021
Chấp nhận 17/8/2021
Đăng online 20/12/2021

Trong đo lường, vấn đề lớn gặp phải là xử lý giảm nhiễu, nâng cao độ chính
xác tín hiệu đo từ các loại cảm biến trước khi vào bộ biến đổi tương tự sang
số của vi xử lý. Can nhiễu dẫn tới sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực.
Nghiên cứu trình bày so sánh, đánh giá và đề xuất giải pháp giảm nhiễu cho
tín hiệu điện áp từ cảm biến; đồng thời đưa ra một số phương pháp xử lý
tín hiệu số sau khi biến đổi ADC. Kết quả được kiểm chứng trên hệ thống
được thiết kế gồm cảm biến ánh sáng và module được nhúng thuật tốn xử
lý tín hiệu đã đề xuất, module có nhiệm vụ thu thập và biến đổi dữ liệu thu
được từ cảm biến ánh sáng sang dữ liệu số và hiển thị. Phương pháp xử lý
tín hiệu được áp dụng trong các thiết bị đo lường, bộ thu thập dữ liệu, quan
trắc thông số môi trường nhằm giảm nhiễu, nâng cao độ chính xác của thiết
bị.

Từ khóa:
Biến đổi tương tự sang số,
bộ lọc Kalman, cảm biến,
lọc nhiễu

© 202 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm.

1. Mở đầu

1/ Khuếch đại tín hiệu làm tăng mức điện áp
phù hợp với khoảng làm việc của bộ ADC, đồng
thời làm tăng độ phân giải và độ nhạy của phép
đo
2/ Suy hao làm giảm mức điện áp so với
khoảng của bộ ADC. Thường gặp trong trường
hợp đo điện áp lớn hơn 10V
3/ Lọc triệt tiêu tín hiệu nhiễu không mong
muốn trong một khoảng tần số nhất định
4/ Cách ly khi tín hiệu điện áp nằm ngồi
khoảng số hố có thể gây hại cho hệ thống đo
5/ Tuyến tính hố khi tín hiệu điện áp ngõ ra
từ cảm biến khơng quan hệ tuyến tính với đại
lượng vật lý cần đo
Trong báo cáo này, tác giả tập trung vào giới
thiệu một số phương pháp xử lý giảm nhiễu với
tín hiệu Analog (trước bộ ADC) và xử lý số tín
hiệu (sau bộ ADC)

Bộ biến đổi ADC hay bộ chuyển đổi tín hiệu

tương tự sang tín hiệu số là một mạch chuyển đổi
giá trị điện áp liên tục (analog) sang giá trị chuỗi
nhị phân (digital) mà thiết bị kỹ thuật số có thể
hiểu được sau đó được sử dụng để xử lý, tính
tốn. Mạch ADC có thể là vi mạch như dòng
ADC08xx hoặc được nhúng vào vi điều khiển như
PIC, AVR, STM, TI. Sơ đồ nguyên lý chung của bộ
biến đổi ADC được thể hiện như hình 1.
Tín hiệu Analog thường là tín hiệu điện áp đầu
ra từ cảm biến như cảm biến nhiệt độ PT100,
LM35; cảm biến ánh sáng; độ ẩm; áp suất,…
Nhược điểm của tín hiệu Analog là dễ bị tác động
bởi tín hiệu nhiễu như nhiễu nhiệt, nhiễu điện từ
từ nguồn, nhiễu từ dây tín hiệu song hành,…
Tín hiệu đo lường cảm biến được chuẩn hoá
bao gồm các bước phổ biến như sau (NI, 2016)
24


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA

Biên độ

(MEAE2021)

Nhiễu

1
Mạch ADC

1
0

Thời gian
Tín hiệu tương tự

1
0

Opamp cho đầu vào Vin có trở kháng rất lớn, dịng
tải tín hiệu nhỏ, tín hiệu ít suy hao; đồng thời đầu
ra tín hiệu có trở kháng rất nhỏ, Vout giữ ngun
đặc tính của tín hiệu, trong khi cơng suất tín hiệu
tăng lên, khiến suy hao nhỏ.

1
0

0

Tín hiệu số

A
Trở kháng cao
(High
Impedance)

Hình 1. Sơ đồ bộ biến đổi ADC
2. Xử lý giảm nhiễu tín hiệu Analog

Input

+VEE
B
Trở kháng thấp
(Low
Impedance)

+
-VEE

Trong đo lường, tín hiệu Analog có các dạng
như 4-20mA, 0-20mA, 0-5V, 0-10V. Tuỳ theo ứng
dụng và thiết bị công nghiệp mà sử dụng loại tín
hiệu Analog tương tứng. Ví dụ cảm biến áp suất,
nhiệt độ thường sử dụng tín hiệu dạng 4-20mA
hoặc 0-10V.
Hình 3. Bộ đệm cho tín hiệu Analog và hình ảnh
mạch thực tế

Tín hiệu Analog + Nhiễu

VB = VA; Ku = 1
(1)
Chống nhiễu nâng cao cho tín hiệu Analog có
thể sử dụng mạch Analog Front-End (AFE) hay
mạch xử lý tín hiệu nhỏ (tiền xử lý). Tín hiệu được
đưa vào mạch khuếch đại nhiều tầng với hệ số
khuếch đại bằng tích hệ số khuếch đại từng tầng,
sau đó qua mạch lọc LPF, BPF, HPF để loại các tín

hiệu ở ngồi dải mong muốn (Anna Richelli,
2016).

Tín hiệu Analog

Tín hiệu Nhiễu

Hình 2. Tín hiệu 4-20mA khi bị nhiễu
Hình 2 mơ tả tín hiệu Analog là tín hiệu đầu
vào của hệ thống đo nên khi xảy ra nhiễu; nếu
khơng xử lý kịp thời có thể dẫn đến sự tác động
khơng chính xác của cơ cấu chấp hành đầu ra, gây
hậu quả nghiêm trọng về người và thiết bị.
Có rất nhiều phương pháp để xử lý tín hiệu
Analog. Trường hợp tín hiệu Analog bị can nhiễu
nhẹ làm suy giảm tín hiệu ví dụ từ 4-20mA xuống
cịn 3.95mA-19.5mA thì có thể xử lý tạm thời
bằng phần mềm.
Để chống nhiễu cho tín hiệu Analog dùng IC
khuếch đại thuật tốn (Henri Sino, 2011). Hình 3
là mạch khuếch đại lặp lại (bộ đệm) với hệ số
khuếch đại của mạch bằng 1 giúp giữ nguyên đặc
tính của tín hiệu, đồng thời lợi dụng ưu điểm của

(a)

(b)

Hình 4. Một số bộ cách ly-lọc nhiễu K109S (a) và
OMX333UNI (b)

Trong thực tế, trường hợp tín hiệu bị nhiễu
quá nặng, cách đơn giản và kinh tế là dùng bộ cách
ly chống nhiễu, ví dụ như bộ K109S của Seneca
hoặc bộ OMX333UNI của hãng Orbit Merret.
Đường tín hiệu Analog trong thiết kế mạch in
cần được thiết kế chống nhiễu bằng một số
phương pháp như:
1/ Phối hợp trở kháng trên đường truyền
25


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

Bước 1: Thiết lập biến RMS, V1, V2;
Bước 2: Thực hiện vòng lặp với biến count
chạy từ 0 đến n (n là số vòng lặp, luỹ thừa của 2)
Bước 3: Đọc giá trị số sau khi biến đổi ADC và
tính tổng các giá trị đọc được
ADC = read_adc();
V1 = V1+ADC*ADC;
V2 = V2+ADC;
Bước 4: Tính trung bình bình phương
RMS = sqrt(V1/n-(V2/n)*(V2/n);
RMS = RMS*Vref/n;

2/ Đường tín hiệu Analog ngắn nhất có thể
3/ Tạo các via nối GND dọc theo đường Analog
4/ Tạo các tấm chắn điện từ
Như vậy, bằng các biện pháp giảm nhiễu tín

hiệu Analog đã kể trên, tín hiệu tương tự được
loại bỏ nhiễu trước khi vào bộ biến đổi ADC để
thực hiện chuyển đổi thành tín hiệu số.
3. Xử lý tín hiệu số sau bộ biến đổi ADC
Giá trị số trả về sau khi biến đổi ADC phụ thuộc
vào độ phân giải bộ ADC. Ví dụ ADC 12-bit thì giá
trị đọc về nằm trong khoảng từ 0 đến 4095. Giá trị
ADC sẽ cố định khi điện áp tham chiếu (Vref) của
bộ ADC là ổn định. Do vậy trước khi xử lý ADC, cần
ổn định nguồn Vref bằng cách sử dụng các IC ổn
áp tạo điện áp chuẩn.
Các phương pháp xử lý tín hiệu số được đề
xuất bao gồm phương pháp trung bình bình
phương, phương pháp lọc Kalman.

(a)

3.1. Phương pháp lấy trung bình các mẫu
Đây là phương pháp đơn giản nhất để ổn định
giá trị đo được sau khi biến đổi ADC. Thuật tốn
được trình bày như sau:
Bước 1: Thiết lập biến sum = 0;
Bước 2: Thực hiện vòng lặp với biến count
chạy từ 0 đến n (n là số vòng lặp, luỹ thừa của 2)
Bước 3: Đọc giá trị số sau khi biến đổi ADC và
tính tổng các giá trị đọc được
sum +=read_adc();
Bước 4: Tính trung bình kết quả thu được
sum/=n;

(b)
Hình 5. Tín hiệu từ bộ biến đổi ADC (a) và sau khi
qua bộ lọc trung bình các mẫu (b)
3.3. Phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman
Phương pháp này được đề xuất năm 1960 bởi
nhà khoa học Kalman (Kalman và nnk, 1960). Bộ
lọc Kalman là thuật tốn ước lượng giá trị chưa
biết chính xác hơn so với chỉ sử dụng một phép
đo duy nhất. Trong báo cáo, tác giả sử dụng mơ
hình đo cường độ ánh sáng quang trở LDR và kết
nối với bộ ADC 12-bit của vi điều khiển ESP32 đã
được nhúng thuật toán bộ lọc Kalman. Sơ đồ khối
kết nối các thành phần trong mơ hình được thể
hiện trong hình 6. Khi cường độ ánh sáng thay
đổi, quang trở cho giá trị điện áp thay đổi tuyến
tính. Giá trị điện áp được đưa vào bộ ADC của
ESP32 để lấy mẫu và ước lượng giá trị dùng bộ lọc
Kalman.

3.2. Phương pháp trung bình bình phương
Đây là phương pháp tính trung bình bình
phương các mẫu sau q trình lấy mẫu theo cơng
thức (2). Phương pháp này đặc biệt hiệu quả
trong tìm giá trị rms (giá trị hiệu dụng) của tín
hiệu. Hình 5 mơ tả tín hiệu ADC với tần số lấy mẫu
100kHz, sử dụng 100 mẫu (n =100) để tính trung
bình bình phương theo cơng thức (2)
1

𝑉𝑟𝑚𝑠 = 𝑛 √∑(𝑉 2 ) − (∑ 𝑉)2

(2)
26


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

Kết luận
Cảm biến ánh
sáng quang trở
LDR

Bộ ADC của vi
điều khiển
ESP32

Báo cáo đã phân tích các giải pháp xử lý giảm
nhiễu tín hiệu bao gồm tín hiệu Analog trước bộ
ADC (tín hiệu Analog từ các loại cảm biến) và giải
pháp xử lý tín hiệu số sau bộ ADC. Đây là các giải
pháp thường được áp dụng trong các mạch đo
lường trong công nghiệp.
Đồng thời báo cáo cũng đưa ra một mơ hình
đo điện áp đầu ra từ cảm biến quang trở và ước
lượng giá trị số tương ứng sử dụng bộ lọc Kalman
đơn giản. Kết quả tín hiệu được xử lý lọc nhiễu
khá mịn và có phương sai nhỏ.

Kết quả đồ thị

Hình 6. Sơ đồ khối kết nối thiết bị
Các phương trình bộ lọc Kalman có dạng như
phương trình (3) (Greg Welch và nnk, 2001)
𝑋̂𝑘 = 𝐾𝑘 . 𝑍𝑘 + (1 − 𝐾𝑘 ). 𝑋̂𝑘−1
(3)
Trong đó:
𝑋̂𝑘 là giá trị ước lượng hiện tại

Lời cảm ơn

K k là hệ số Kalman

Tác giả xin chân thành cám ơn các cán bộ của
bộ môn Kỹ thuật điện – Điện tử, Khoa Cơ điện, Đại
học Mỏ - Địa chất đã đóng góp về mặt chun
mơn, hỗ trợ về trang thiết bị thí nghiệm, giúp tác
giả hồn thiện báo cáo.

𝑋̂𝑘−1 là giá trị ước lượng tại thời điểm trước
Z k là giá trị đo được
k là số lần lặp
Độ chênh lệch giữa giá trị đo được và giá trị
thực được gọi là sai số e. Khi giá trị mong muốn
thay đổi cần có sự thoả hiệp giữa tốc độ bám đuổi
của giá trị ước lượng với giá trị thực và độ dao
động của giá trị ước lượng. Dữ liệu sau khi được
xử lý bằng bộ lọc Kalman sẽ có độ trễ so với dữ
liệu chưa được xử lý. Tuy nhiên với tần số xung
nhịp của ESP32 lên tới 240MHz, thời gian hoàn

thành mỗi lần lấy mẫu tín hiệu điện áp của cảm
biến quang trở chỉ khoảng 5us (ESP32 Series
Datasheet)

Tài liệu tham khảo
National Instruments, (2016). Engineer’s Guide
to Accurate Sensor Measurements – White
Paper. />Henri Sino (2011). Electromagnetic Interference
(EMI) Filtering Reduces Errors in Precision
Analog Applications. Analog Dialogue 45-01.
/>Anna Richelli (2016). EMI susceptibility Issue in
Analog Front-End for Sensor Applications.
Journal of Sensors.
Greg Welch, Gary Bishop (2001). An Introduction
to the Kalman Filter. University of North
Carolina at Chapel Hill Department of
Computer Science.

Hình 7. Tín hiệu từ bộ biến đổi ADC (màu xanh) và
sau khi qua bộ lọc Kalman (màu vàng)
Áp dụng thuật toán của bộ lọc Kalman cho kết
quả tín hiệu số sau khi lọc được thể hiện như đồ
thị hình 7. Tín hiệu sau lọc nhiễu có thể đánh giá
là khá mịn và ổn định hơn nhiều so với giá trị thơ
sau bộ biến đổi ADC. Tín hiệu này tiếp tục được
xử lý đến khâu hiển thị hoặc tác động đến cơ cấu
chấp hành.

Trịnh Tuấn Dương, Nguyễn Ngọc Linh (2019).
Ứng dụng bộ lọc Kalman trong việc xử lý tín

hiệu thu được từ cảm biến đo nồng độ bụi
Sharp GP2Y1010AU0F. Tạp chí khoa học cơng
nghệ, Trường ĐH Cơng nghệ, ĐH Quốc gia Hà
Nội, E-ISSN 2615-9619.
27


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)

ESP32 Series Datasheet (topic 4.1.2), the ADC
characteristics shows the maximum sampling
rates.

Anna Richelli (2016). EMI susceptibility Issue in
Analog Front-End for Sensor Applications.
Journal of Sensors

M. S. Grewal, A. P. Andrews, (2001). Kalman
Filtering – Theory and Practice Using
MATLAB. Wiley.

28