Luận văn Tính độ rộng kênh và tốc độ truyền cho một kênh đo tự động nhiều thông số

Phần I
Tổng quan về thiết bị đo lờng điện tử
I- Giới thiệu chung
1. Mở đầu.
1.1 Khái niệm về đo lờng.
Đo lờng là sử dụng phơng pháp thực nghiệm để nhận đợc ớc lợng về số lợng
của đối tợng thông qua việc so sánh với mẫu là quá trình quan trọng nhất, nó phục
vụ cho mục đích nghiên cứu cũng nh sản xuất.
Mỗi một phơng pháp đo chỉ thị, biến đổi tín hiệu cho ta thiết bị đo khác nhau
ngay cả khi đo cùng một đại lợng. Để quá trình đo có sai số nhỏ nhất thì yêu cầu ph-
ơng pháp đo phải đơn giản, cấu trúc mạch đo và thiết bị đo hợp lý, gọn nhẹ, dễ sửa
chữa và nâng cấp khi cần thiết.
1.2 Nhiệm vụ của quá trình đo.
So sánh giã trạng thái của đại lợng kiểm tra với mẫu và cho tín hiệu để đánh
giá, xác định xem có tơng ứng hay không giữa đối tợng với mẫu đã cho. Định lợng
1
đại lợng khảo sát với độ tin cậy cần có và thờng thì trong kỹ thuật đo phải có sự tính
toán để đo đợc kết quả mong muốn.
Điều này không ngoài mục đích là nhận biết sự hiện diện của tín hiệu, xác
định đợc đặc tính vật lý của nó đồng thời định lợng so sánh với mẫu. Không ít trờng
hợp qua kết quả đo khảo sát có thể nhận dạng tín hiệu và quy luật biến thiên rồi biến
đổi tín hiệu đo đợc thành tín hiệu chuẩn để có thể truyền đi xa không bị mất mát và
thực hiện đo chúng bằng một loại dụng cụ duy nhất.
2. Phơng pháp đo và dụng cụ đo.
2.1 Phơng pháp.
Với mỗi đại lợng vật lý ta có nhiều phơng pháp đo khác nhau, tuỳ thuộc vào
từng trờng hợp cụ thể mà ta sử dụng phơng pháp nào cho thích hợp đem lại hiệu quả
và ít sai số. Tuy nhiên phơng pháp đều đợc xây dựng dựa trên hai phơng pháp là đo
số và đo tơng tự.
Đặc điểm chung của 2 phơng pháp này là từ một đại lợng X cần đo để thông
qua một toán tử hệ thống biến đổi S ta thu đợc đại lợng kết quả Z.

Hình I.1: Mô tả đơn giản một thiết bị đo
Trong đó:
Z : Đại lợng cần hiển thị (Kết quả đo)
S : Toán tử hệ thống
X : đại lợng cần đo
Trong kỹ thuật đo lờng số nhờ các cảm biến ngời ta biến đổi đại lợng cần đo
thành đại lợng điện rồi tín hiệu số, sau đó thông qua một quá trình biến đổi để đa ra
chỉ thị cụ thể.
- Các phơng pháp đo tơng tự.
* Phơng pháp đo gián tiếp:
Phơng pháp này có thể đo bằng cách so sánh (ví dụ nh đo điện tử: ngời ta so
sánh dòng điện đi qua điện tử mẫu với dòng diện trở cần đo và chỉ thị). Và tuỳ theo
sự lựa chọn mà ta có thể chỉ thị trực tiếp đại lợng đo bằng kim, ánh sáng hoặc bằng
cầu cân bằng.
Đây là phơng pháp thông qua một đại lợng vật lý khác để xây dựng đại lợng
cần đo dựa trên cơ sở toán học. Phơng pháp này áp dụng cho bộ thống đo có vec tơ
đại lợng vào là n chiều, véctơ đại lợng ra là một chiều
Hình I.2: Mô tả đơn giản thiết bị đo đồng thời nhiều thông số
* Phơng thức đo trực tiếp:
2
S
Z
X
Z = S.X
Z
S
n,1
X
1

X
n
Trong phơng pháp này các đại lợng cần đo x
1
, , x
n
đợc đa tới đầu vào thiết bị
đo một cách độc lập. Các đầu ra hiển thị là độc lập nhau không phụ thuộc vào nhau.
Các kết quả đo này mang thông tin của đầu vào và có độ chính xác cao. Thuật toán
biến đổi là ma trận chéo, số ma trận này rất thuận tiện cho việc đo các vec tơ vào -
ra cùng chiều.
Hình I.3: Sơ đồ phơng thức đo trực tiếp
* Phơng pháp đo kết hợp gián tiếp - trực tiếp:
Phơng pháp này áp dụng cho hệ thống véctơ lợng vào là n chiều, véctơ lợng ra
là n chiều. Hệ thống này là mô hình giải một hệ phơng trình. Kết quả đo đợc đa ra
cùng một lúc khi hệ phơng trình đợc giải.
Phơng pháp này có u điểm là đáp ứng đợc nhiều đối tợng đo khác nhau và có
khả năng sai số thấp.
- Các phơng pháp đo số:
Các phơng pháp đo số đợc xây dựng trên cơ sở phơng pháp đo tơng tự, nhng ở
đây ở phần biến đổi và chỉ thị là dạng tín hiệu số.
Hình I.4: Sơ đò khối phơng pháp đo số
ở đây trong khối biến đổi sẽ thực hiện việc chuyển đổi từ tín hiệu tợng tự
sang tín hiệu số (bộ biến đổi A/D).
Nguyên tắc làm việc của ADC.
Hình I.5: Sơ đồ bộ biến đổi ADC
Trớc hết tín hiệu tơng tự đợc đa đến một mạch lấy mẫu, mạch này có hai
nhiệm vụ:
Lấy mẫu tín hiệu tơng tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều nhau (rời
rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian).

Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình
chuyển đổi tiếp theo.
Tín hiệu ra mạch lấy mẫu đợc đa đến mạch lợng tử hoá để thực hiện làm tròn
với độ chính xác :
2
Q
;
Q: mức lợng tử.
3
S
n,1
x
1
x
2
x
n
x
1
x
2
x
n
Các đại l
ợng cần đo
Các kết
quả đo
Biến đổi
Tín hiệu
đo

Chỉ thị
Mạch lấy
mẫu
U
A
ADC
L ợng tử
hoá
Mã hoá
U
n
Mạch lợng t ử hoá làm nhiệm vụ rời rạc hoá tín hiệu tơng tự về mặt biên độ.
Nh vậy nhờ quá trình lợng tử hoá một tín hiệu tơng tự bất kỳ đợc biểu diễn bởi một
số nguyên lần mức lợng tử.
Q
X
Q
X
Q
X
intZ
AiAiAi
Di
==
Trong đó: X
Ai
: Tín h iệu tơng tự ở thời điểm i
X
Di
: tín hiệu số của thời điểm i

Q: Mức lợng tử
X
Ai
: Số d trong phép lợng tử hoá.
int (integer): Phần nguyên.
Đối với khối chỉ thị số có u điểm là hiển thị với tốc độ nhanh và độ chính xác
cao. Chỉ thị số dùng phổ biến là đèn điện tử. Đèn điện tử là những đèn tinh thể có
nhiều catốt và một Anốt hoặc ngợc lại. Anốt phía trớc là lới có thể nhìn xuyên qua
vào Catốt bên trong. Catốt đợc uốn thành hình con số thập phân nên có 10 catốt. Khi
muốn hiển thị con số nào thì ngời ta kích thích điện áp vào catốt uốn thành hình con
số đó với anốt. Khi đó sẽ có dòng điện giữa A và K. Xung quanh K sẽ có một đám
mây điện từ đồng thời nó phát sáng nên số đó sẽ hiện lên.
Ngoài ra LED-7 đoạn cũng là loại đợc dùng phổ biến. ở đây dùng 4 điod
quang, mỗi điod đợc chế tạo thành một đoạn thẳng, 7 đoạn thẳng này sẽ ghép thành
hình con số 8. Độ sáng bình thờng của điod LED là 1,8 ữ2,2v.
2.2 Dụng cụ đo.
Dụng cụ đo là một hệ thống mà đại lợng cần đo là đại lợng vào và kết quả hay
còn gọi là đại lợng cần chỉ thị là đại lợng ra.
Có nhiều cách phân loại dụng cụ đo. Việc phân loại dụng cụ đo dựa vào công
dụng, mục đích, cấu tạo, tính chất và còn dựa vào phơng pháp đo đợc sử dụng làm
nguyên lý để chế tạo dụng cụ đo. Song về cơ bản có thể phân chia làm 2 nhóm
chính:
- Nhóm thứ nhất: Dụng cụ tơng tự.
- Nhóm thứ hai: Dụng cụ đo số.
Sự khác nhau cơ bản giữa 2 nhóm dụng cụ đó là phơng pháp tiếp cận tín hiệu
đo, chế biến và chỉ thị tín hiệu đo.
Ưu điểm của dụng cụ đo tơng tự là: Cho dù đo trực tiếp hay gián tiếp thì dụng
cụ đo thờng có cấu trúc đơn giản dễ sử dụng và do vâỵ giá thành không cao, khi cần
sửa chữa cũng dễ dàng, việc chế tạo đơn giản. Ngoài ra việc chỉ thị của dụng cụ đo
này rất dễ làm. Ngời ta thờng dùng nguyên lý từ điện hoặc điện từ. Với các dụng cụ

cũ hơn có thể chỉ thị bằng cơ nh dụng cụ đo tần số, đo điện áp, đo dòng điện một
chiều.
Nh ợc điểm: Độ chính xác không cao, phạm vi đo hẹp và đặc biệt là không lu
trữ đợc kết quả đo không truyền dẫn đi xa đợc. Mặt khác ở những trờng hợp cần liên
tục đo, kiểm tra nhiều đại lợng, nhiều thông số đồng thời thì rất khó thực hiện và đôi
khi gần nh không thực hiện đợc.
Các dụng cụ đo số khắc phục đợc các nhợc điểm nêu trên và mở ra khả năng
tự động hoá cao với các quá trình đo. Nó cho kết quả đo chính xác cao và đặc biệt
là khả năng lu trữ truyền dẫn kết qủa đo. Nhờ vậy nó cho phép ta sử dụng kết quả đo
nh một tài nguyên của cơ sở dữ liệu. Bên cạnh những u điểm nổi bật, dụng cụ đo số
có cấu trúc đòi hỏi công nghệ và kỹ thuật cao, đôi khi có cấu trúc phúc tạp, do vậy
gía thành cao và khi sửa chữa cũng cần đến ngời có chuyên môn cao. Với những u
điểm nh thế, dụng cụ đo số sẽ chiếm vị trí quan trọng và sẽ đợc dùng phổ biến trong
tơng lai.
II- Tín hiệu đo và các phơng pháp biến đổi tín hiệu đo.
4
1. Khái niệm về tín hiệu đo.
Tín hiệu đo là tín hiệu ở dạng điện hoặc không điện đợc tạo thành từ đối tợng
cần đo thông qua các bộ cảm biến hoặc biến đổi nào đó. Tín hiệu đo nó cũng nh tín
hiệu thông thờng đều là dạng biểu diễn vật lý của tín tức (đối tợng đo).
2. Phân loại tín hiệu đo.
Với tín hiệu đo thì nó đợc tạo thành từ hai loại đối tợng là tín hiệu điện và đối
tợng không điện nh áp suất, nhiệt độ, công suất,
2.1. Tín hiệu điện:
Là những tín hiệu đợc biểu diễn dới dạng điện áp hoặc dòng điện. Tín hiệu
điện có thể là những tín hiệu biến thiên chậm đợc coi nh tín hiệu một chiều nh tín
hiệu chuẩn hoá 0ữ10v; 0ữ20mA hoặc cũng có thể là tín hiệu biến thiên theo quy
luật, đó là tín hiệu biến thiên theo quy luật của hàm sin hoặc Cosin:
x(t) = X
m

Sin (.t+)
Trong đó X
m
là biên độ cực đại, có thể là thông số thay đổi theo sự biến đổi
của đại lợng đo. Các thông số nh , đều có thay đổi theo đại lợng đó. Đó là quá
trình điều chế tín hiệu.
Tín hiệu là những tín hiệu ngẫu nhiên:
- Là tín hiệu thay đổi không có quy luật. Sự ngẫu nhiên gây ra do biến động
của điều kiện bên ngoài đối tợng.
Ví dụ: Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất thay đổi thì tín hiệu đo cũng bị thay đổi theo.
Đo nhiệt độ của lò trong thời gian từ 0 giờ đến 24 giờ. Sự thay đổi có thể phụ
thuộc vào thời tiết bên ngoài mà nhiệt độ thay đổi theo.
- Xét theo hình thức biến đổi tín hiệu đo có thể phân thành:
* Tín hiệu đo liên tục: Đó là một hàm liên tục của một đối số liên tục

Hình I.6: Tín hiệu đo
* Tín hiệu đo liên tục lợng tử: Là các giá trị lợng tử của một hàm có đối số liên tục.

Hình I.7: Tín hiệu đo liên tục lợng tử
* Tín hiệu đo rời rạc là một hàm của đối số rời rạc.
5
x(t)
))
t
0
t
x(t)
0
Hình I.8: Tín hiệu đo rới rạc.
* Tín hiệu đo rời rạc lợng tử: là giá trị lợng tử của một đối số rời rạc.

Hình I.9:Tín hiệu đo rời rạc lợng tử
Một tín hiệu đo ngẫu nhiên đợc gọi là một thể hiện. Nếu ta đo nhiều lần đợc
nhiều đờng cong khác nhau nó đợc gọi là quá trình ngẫu nhiên.
ví dụ: đo nhiệt độ theo thời gian, nó dao động xung quanh một giá trị trung
bình T
0
.
Hình I.10: Sơ đồ tín hiệu nhiệt độ dao động theo thời gian.
2.2. Đối tợng không điện.
Là đối tợng không biểu diễn dới dạng điện áp hoặc dòng điện đó là những đại
lơng nh: áp suất, lực cơ học, nhiệt độ, Thông qua các bộ cảm biến, bộ biến đổi thì
những đại lợng này sẽ chuyển thành những tín hiệu điện thông thờng và thực hiện đo
nh bình thờng.
Tổng quan về cảm biến:
- Các định nghĩa và đặc trng chung về cảm biến.
Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lợng cần đo (m) không có tính
điện (nói chung) và cho ta một đặc trng mang bản chất điện ký hiệu là S
S = F(m)
6
t
x(t)
0
t
x(t)
0
t
Một thể hiện
T
0
0

T

Hình I.11: Sơ đồ khối bộ cảm biến
S: Đại lợng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến.
m: Đại lợng đầu vào hay kích thích.
Công thức trên chỉ là lý thuyết của định luật vật lý biểu diễn hoạt động của
cảm biến thực tế. S phụ thuộc vào cấu tạo vật liệu làm cảm biến, môi trờng, chế độ
sử dụng. Để dễ sử dụng thông thờng ngời ta chế tạo cảm biến sao cho tuyến tính
giữa biến thiên đầu ra s và m.
s = .m.
: Độ nhạy của cảm biến.

Hình I.12: Dạng tín hiệu sau bộ cảm biến
Một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế và sử dụng cảm biến làm sao
cho độ nhạy = const, nghĩa là ít phụ thuộc vào:
m(độ tuyến tính), tấn số thay đổi của dải thời gian sử dụng (do già hoá).
ảnh hởng của các đại lợng vật lý khác của môi trờng xung quanh.
Vì cảm biến là một phần tử của mạch nên có thể coi cảm biến là:
Máy phát (cảm biến tích cực).
Trở kháng (cảm biến thụ động).
3. Rời rạc hoá tín hiệu đo.
Rời rạc hoá tín hiệu đo liên tục là một quá trình biến đổi một hàm liên tục theo
thời gian x(t) thành hàm rời rạc theo thời gian x
i
là tập hợp các tung độ mà theo đó
có thể nhận đợc ớc lợng của thời tín hiệu đo liên tục x
*
(t).
A.x(t) = (x
o

, x
1
, x
n
)
B(x
0
, x
1
, ,x
n
) = x
*
(t)
Khi thực hiện một phép A lên x(t) thì ta nhận đợc x
i
ngợc lại khi tác động một
phép B lên x
i
thì ta nhận đợc một ớc lợng x
*
(t). đó là hai quá trình ngợc nhau mà ta
có các thiết bị tơng ứng đó là các bộ biến đổi A/D và D/A.
Toán tử A gọi là toán tử thể hiện
Toán tử B gọi là toán tử phục hồi.
Có nhiều cách rời rạc hoá tín hiệu.
Ví dụ:
- Hàm rời rạc chỉ là một bộ hệ số của một dãy nào đấy
7
Cảm biến

S (Đại l ợng điện)
đại l ợng cần đo m
t
m
0
t
1
t
2
t
3
t
S
0
S
2
S
1
m
1
m
2
Hình I.13: Sơ đồ tín hiệu liên tục
Giá trị rời rạc là hệ số của một dãy số.
Hàm rời rạc là sai giá trị tức thời của hàm liên tục lấy tại các thời điểm nhất
định thờng là đều nhau.

Hình I.14: Sơ đồ tín hiệu rời rạc
Hàm rời rạc là một hiệu các giá trị kế tiếp nhau.
Hình I.15: Sơ đồ tín hiệu rời rạc các giá trị kề tiếp nhau.

Cách lấy đờng cong hiệu
Hình I.16: Sơ đồ đờng cong hiệu
Đờng cong hiệu: x = x
i
-x
i-1
8
t Hàm liên tục
x(t)
0
t, N
x(t)
0
1 2 3 4 5 6 7 8








t, N
x(t)
0
1 2 3 4 5 6 7 8

t, N
x(t)
0
1 2 3 4 5 6 7 8








Tuỳ theo toán tử A thực hiện theo cách nào thì lấy toán tử B tơng ứng theo
cách đó.
Lợng tử hoá theo mức.
Trong các hệ thống đo lờng sử dụng các chuyển đổi A/D từ sensor qua A/D
vào máy tính. Trong khi đó sai số do việc làm trên các giá trị của tín hiệu ảnh hởng
đến độ chính xác của phép đo. Một sai số nh vậy gọi là sai số lợng tử.
Phép lợng tử hoá theo mức đợc thực hiện khi lấy giá trị đo ở thời điểm tín hiệu
đo cân bằng.
Với mức lợng tử gần nhất và lấy giá trị lợng tử đó.
Sai số của phép lợng tử hoá đợc tính là:
=
29,012/1 =
của đơn vị thang đo tức là sai số lợng tử hoá chiếm khoảng
0,29 một vạch chia của thang đo.

Hình I.17: Sơ đồ sai số khi lợng tử
Ví dụ: Đối với máy tính 8 bit: tức là thang đo chứa 2
8
= 256 vạch và tỷ số giữa
sai số lợng tử và khoảng đo tín hiệu sẽ là :
=

4. Nhiễu trong đo lờng và phơng pháp chống nhiễu.
4.1. Khái niệm và phân loại.
- Đó là tất cả các yếu tố không ổn định tác động lên tín hiệu và gây ra sự mất
mát thông tin đo. Vậy nhiễu là nguyên nhân gây ra sai số hoặc hỏng hóc. Trong hệ
thống đo thì nhiễu xuất hiện ở mọi khâu.
Hình I.18: Sơ đồ mô tả hệ thống đo chống nhiễu
* ở khâu đối tợng nghiên cứu bao gồm các sensor transducer chuyển đổi
chuẩn hóa. Nhiễu gây ra do điều kiện làm việc nặng nhọc, điều kiện đo không ổn
định ở ngay đối tợng (ví dụ nh sự thay đổi nhiệt độ, gia tốc, dao động, tác động hóa
học).
* Khâu kênh liên lạc (dây liên lạc).
Nhiễu sinh ra chủ yếu là do trờng điện tử, ảnh hởng của khí quyển, môi trờng
lý hóa.
* Khâu thiết bị thu và gia công.
Nhiễu gây ra do sự thay đổi nhiệt độ, nguồn cung cấp.
- Các loại nhiễu.
9
t
x(t)
0

Đối t ợng Kênh liên lạc
Thiết bị thu và

gia công
* Nhiễu ngẫu nhiên : Là một dãy các xung có biên độ, độ dài và thời gian
xuất hiện là ngẫu nhiên nh nhiễu đóng ngắt mạch điện.
* Nhiễu hệ thống : Có giá trị không đổi và thay đổi và có quy luật. Nh nhiễu
do sự thay đổi chậm các đại lợng nhiệt độ, độ ẩm,
4.2. Các phơng pháp chống nhiễu.
- Sử dụng các dạng tín hiệu điều chế chống nhiễu.
Điều chế là sự tác động của tín hiệu đó lên một thông số nào đó của tín hiệu
mang. Sự tác động của nhiễu nhiều hay ít phụ thuộc vào dạng điều chế. Tín hiệu
mang có thể là một điện áp xoay chiều hay là một điện áp xung.
* Điều chế với tín hiệu mang là xoay chiều hình sin là :
u(t) = U
m
sin(t + )
Hình I.19: Sơ đồ tín hiệu hình Sin xoay chiều
Khi tín hiệu đo tác động lên biên độ U
m
thì ta có điều chế biên độ
10
U
O

T
U
m
t
O
x(t)
t
x(t)

O
t
Hình I.20: Sơ đồ tín hiệu điều chế
Khi tín hiệu đo x(t) tác động lên tần số thì ta có điều chế tần số, ở đâu tín
hiệu đo nhỏ thì tần số thấp, ở đâu tín hiệu đo lớn thì tần số cao.
Khi tín hiệu đo tác động vào góc lệch pha ta có điều chế pha. Khi sử dụng
dạng điều chế nào thì ta phải sử dụng dạng điều chế tơng ứng. Một bộ điều chế và
giải điều chế gọi là MODEM. Thờng tín hiệu điều chế tần có độ chống nhiễu tốt hơn
điều biên.
* Điều chế với tín hiệu mang là xung
Tín hiệu mang có thể là một dãy xung thờng là xung hình chữ nhật. Các
thông số của xung là: Biên độ xung U
m.

Tần số xung f = 1/T.
Độ rộng xung (thời gian xung).
11
O
x(t)
t
O
x(t)
t
O
t
U
T
U
m

O
U
t
O
U
t
U
đc
O
t
O
t
U
đc
Tín hiệu đo
t
t
Tín hiệu mang
t
Điều chế biên độ - xung
t
Điều chế tần số - xung
Hình I.21: Sơ đồ tín hiệu điều chế với tín hiệu mang là xung
Tín hiệu đo tác động vào tần số của dãy xung gọi là điều chế tần số xung. ở
giai đoạn vào tín hiệu đo bé thì tần số thấp. ở giai đoạn nào tín hiệu đo lớn thì tần số
cao.
Tín hiệu đo tác động vào độ rộng xung. ở quãng nào tín hiệu đo nhỏ thì độ rộng
xung lớn gọi là điều chế độ rộng xung (hay gọi là thời gian xung). Tín hiệu đo tác động
tạo thành các tập hợp mã khác nhau. Chỗ nào tín hiệu đo lớn thì mã có số lớn. Đó là điều
chế mã xung. Thờng để truyền đi xa tín hiệu điều chế mã xung phải kết hợp với một dạng

điều chế khác. Ví dụ điều chế tần số xoay chiều.
Thờng độ chống nhiễu ở hệ thống mã xung là có độ chống nhiễu tốt nhất vì
để làm thay đổi từ 0 1 hoặc 1 0 thì đòi hỏi nhiễu phải đủ mạnh.
- Sử dụng mã sửa sai.
Các loại mã thông thờng có một nhợc điểm là khi thay đổi một ký hiệu (do
nhiều nhiễu hay một nguyên nhân nào đó) thì sẽ xuất hiện một tập hợp mã khác,
điều đó dẫn đến sai số.
Vì thế để tìm ra hay sửa chữa các sai số do sự có mặt của nhiễu, một mã nh
vậy gọi là mã sửa sai hay một mã kiểm tra.
Ví dụ : Mã chẵn lẻ chẳng hạn là mã kiểm tra. ở bộ phát ta cộng tất cả ký
hiệu mã sao cho tổng tất cả các con số 1 là chẵn. Nếu là lẻ ta cộng thêm 1 sao cho
khi phát đi toàn chẵn. ở phần thu ta kiểm tra lại tính chẵn ấy nếu là kết quả lẻ thì
hoặc là loại tập hợp mã đó, hoặc ra lệnh phát lại.
- Xử lý các phơng pháp thu chống nhiễu.
Đây là các phơng pháp sử dụng các bộ lọc nhiễu. Tuy theo dải tần của nhiễu
ta có thể sử dụng các bộ lọc khác nhau, có thể lọc nhiều lần để khỏi nhiễu.
Một phơng pháp hay sử dụng nữa là phơng pháp tích dầu. Cơ sở của phơng
pháp này nh sau :
Cùng một tín hiệu sẽ đợc nhắc lại nhiều lần và kết quả ta nhận đợc ở đầu thu
nh 1 tổng.
Giả sử ta truyền đi một xung có biên độ không đổi U. Tín hiệu nhiễu là U
nh
.
Khi đó tỷ số của công suất tín hiệu trên nhiễu sẽ là :
C
vào
=
2
nh
2

nh
th
U
U
P
P
=
Giả sử số xung đợc nhắc lại n lần, vì nhiễu là ngẫu nhiên nên ta có :
12
O
t
U
đc
t
Điều chế độ rộng - xung
O
t
Tín hiệu mã
U
đc
t
Điều chế mã - xung
U + U
nh1
Lần 1
U + U
nh2
Lần 2
U + U
nh3

Lần 3

U + U
nhn
Lần n
Cộng lại ta có : U
t
= (
n
1K
U

+ U
nhK
) = nU +

=
n
1K
nhK
U
Tỷ số công suất tín hiệu trộn nhiễu ở đầu ra là :
C
ra
=
nh
2
2
nh
2

22
2
n
1K
nhK
22
nh
th
U
nU
nU
Un
U
Un
P
P
==






=

=
Ta có :
N
U
U

U
nU
C
C
nh
2
2
nh
2
2
ra
== :
vào
Nh vậy việc tích dầu n cầu xung sẽ làm tăng tỷ số P
th
/P
nh
lên n lần. Nh vậy về
lý thuyết với phơng pháp này có thể phát hiện tín hiệu nhỏ bao nhiêu cũng đợc. Có
thể sử dụng n kênh thang cho n lần. Có thể sử dụng với các điện áp có chu kỳ, tr ờng
hợp đó phải đảm bảo đồng bộ với tín hiệu phát.
- Sử dụng phản hồi trong hệ thống đo
Phản hồi trong hệ thống đo là một trong những phơng pháp để nâng cao khả
năng chống nhiễu của hệ thống. Tùy thuộc vào chức năng mà phản hồi có thể bao
gồm nhiều khâu.
Hình I.22: Sơ đồ mô tả sự phản hồi của hệ thống đo
Khâu phản hồi 1: Bao gồm tầng thu liên hệ với tầng phát. Sự thay đổi tín hiệu
ở phần thu xảy ra do nhiễu nhỏ có phản hồi tác động đến phần cuối sao cho sự thay
đổi chế độ của nó bù lại ảnh hởng của nhiễu (tầng công suất phát).
Khâu phản hồi II: Có hai loại

* Hệ thống với mã kiểm tra (mã chẵn lẻ chẳng hạn). Hệ thống phải nhớ định
kỳ cho các nhóm mã, nếu phát hiện ra sai sót ở phần thu theo đờng dây phản hồi đòi
hỏi phát lại nhóm mã sai số đó. Có thể nhắc lại nhiều lần cho đến khi biết chắc là
tín hiệu đã đúng.
* Hệ thống với sự so sánh mỗi một nhóm mã sẽ đợc truyền trở về theo đờng
dây phản hồi và trong bộ mã hóa sẽ so sánh chúng với nhóm mã đã gửi đi nếu kết
quả ăn khớp thì sẽ xuất hiện tín hiệu báo là đã truyền đúng, nếu không đúng thì sự
truyền sẽ đợc nhắc lại.
Nhợc điểm: Công suất tiêu thụ của hệ thống này lớn hơn vì phải truyền trở
lại tất cả các tập hợp mã đã nhận.
III. Sai số và phơng pháp xác định sai số trong đo lờng
1. Khái niệm:
13
TB
mã hóa
Tầng
phát
Kênh
liên lạc
Tầng
thu
Giải
mã
Nơi nhận
I
II
Từ nguồn
tin tức đo
Sai số là sự sai khác giữa giá trị đo đợc và giá trị thực của nó.
Sai số trong đo lờng là một trong những vấn đề rất quan trọng cho việc kiểm

tra bảo dỡng điều chỉnh hoạt động máy nh sửa chữa máy mà sai số đo lờng chủ
yếu phụ thuộc vào điều kiện đo phẩm chất thiết bị đo, tuổi của thiết bị đo, cho nên
việc xác định sai số là hết sức phức tạp, do đó ngoài sử dụng phải biết những điều
kiện cụ thể để xác định sai số đo lờng sao cho giá trị đo không vợt quá giá trị giới
hạn cho phép đối với một thiết bị đo.
2. Nguyên nhân và cách khắc phục
Sai số hệ thống là sai số tuân theo những quy luật xác định do những nguyên
nhân xác định. Nguyên nhân gây sai số hệ thống có 3 nguyên nhân cơ bản sau:
* Sai số phơng pháp: Là sai số do chọn phơng pháp đo không thích hợp với
tính chất đối tợng không phù hợp với thiết bị đo, không phù hợp với đặc điểm yêu
cầu của một phép đo.
+ Cha nghiên cứu kỹ đối tợng đo
+ Sai số gây trong mạch của một hoặc nhiều thiết bị đo.
+ Do tật của ngời điều hành hệ thống đo lờng.
* Sai số của thiết bị là sai số do bản thân thiết bị gây ra. Nguyên nhân là do
sự không hoàn chỉnh về công nghệ chế tạo thiết bị đo.
* Sai số vận hành : Là sai số gây nên khi sử dụng thiết bị sai số này thay đổi
theo thời gian , không gian, địa lý, nhiệt độ.
* Sai số ngẫu nhiên là sai số không tuân theo quy luật nào cả, nguyên nhân
gây ra sai số không xác định theo một quy luật nào.
3. Các phơng pháp xác định
3.2. Xác định sai số của dụng cụ đo tơng tự.
Sai số của dụng cụ đo tơng tự là sai số do quá tình chế tạo, lắp ráp, độ chính
xác của mặt chia độ, chất lợng và kết cấu của mạch điện. Ngoài ra còn phải kể đến
trạng thái tâm lý của ngời thực hiện đo (sai số do mắt ngời đọc)
- Sai số cơ bản: Sai số cơ bản bao gồm sai số đợc xác định trong điều kiện
chuẩn bao gồm nhiệt độ, độ ẩm ảnh hởng của từ trờng ngoài, tần số tín hiệu đo,
dạng tín hiệu cần đo. Đó là những sai số không phụ thuộc yếu tố vận hành và ngời
sử dụng.
Thành phần của sai số cơ bản bao gồm ma sát, độ lệch trục quay, bảng khác

độ, biến dạng của lò xo từ trễ, ảnh hởng của từ trờng hoặc điện trờng nội bộ. Các sai
số cơ bản của thiết bị thờng tính theo phần trăm, phần trăm sai số cơ bản.
% =

=
n
i
i
S
1
2
S
i
: phần trăm sai số của phần tử gây sai số thứ i
- Sai số phụ: sinh ra do điều kiện vận hành, do ngời sử dụng.
Ví dụ: Sự chênh lệch nhiệt độ so với quy chuẩn, chênh lệch tần số, sai số của
mắt đọc, do tín hiệu quá nhỏ mà thang đo quá lớn.
% =


max
0
S
Trong đó:
: Góc đo thực tế

max
: Góc đo lớn nhất

Chú ý: Khi đo thì

max
Mức lợng tử của thang đo khác nhau là khác nhau.
14
- Sai số ngẫu nhiên: là sai số sinh ra bởi các yếu tố ngẫu nhiên không xác định
trớc đợc. Với các thiết bị đo số hóa ngời ta còn phân biệt: sai số cộng và sai số nhân.
Sai số cộng: là sai số đợc biểu diễn dới dạng tuyệt đối, nó không phụ thuộc vào
các đại lợng đo và yếu tố ngoại cảnh. Sai số cộng làm dịch chuyển kết quả đo một
cách song song.
Sai số nhân: là sau số sinh ra do không ổn định của hệ số nhân trong bộ biến
đổi ADC và sự thay đổi đặc tuyến của mạch điện bởi môi trờng.
- Độ chính xác của dụng cụ đo: là một trong những chỉ tiêu cơ bản của phép đo
và dụng cụ đo. Ngời ta sử dụng sai số để biểu diễn độ chính xác đó. Vì vậy có thể
chia các dụng cụ đo làm ba loại sai số.
* Sai số tuyệt đối: Đợc tính bằng hiệu số của giá trị đo đợc với giá trị thực của
đại lợng cần đo.
Gọi x là sai số tuyệt đối của một phép đo, x
0
là giá trị thực của đại lợng cần
đo, x là giá trị đo đợc.
x = x - x
0

* Sai số tơng đối (%)
Nó là tỷ số giữa sai số tuyệt đối với giá trị thực của giá trị cần đo:
[%] =

* Sai số rút gọn: Là tỷ số giữa sai số tuyệt đối với số cực đại của thang đo tính
theo %.

: là trị cực đại của thang đo
(%) =

Trong kỹ thuật đo lờng ngời ta thờng sử dụng sai số rút gọn để làm cơ sở phân
biệt cấp chính xác của dụng cụ đo, với các thiết bị đo truyền thống đợc chia ra thành
8 cấp chính xác và quy định nh sau:
Cấp chính xác 0,05 0,1 0,2 0,5 1 1,5 2,5 4
Sai số rút gọn
0,05 0,1 0,2 0,5 1 1,5 2,5 4
Từ 0,05 ữ 0,5: Cấp chính xác phòng thí nghiệm
Từ 1 ữ 1,5: Cấp chính xác cao
Từ 2,5 ữ 4 : Cấp chính xác thờng
Chú ý: Nếu ta gọi góc mở của thang đo là
0
. Góc lệch của một thang đo là
thì sai số của phép đo:
' = .

Ví dụ: Một thiết bị có = 1%,
0
= 60
0
, = 30
0
thì ' = 2%.
Sai số càng lớn thì càng nhỏ vì vậy khi đo thì ta nên đặt ở phần cuối thang
đo.
3.1 Xác định sai số của dụng cụ đo số.
- Đặt vấn đề: Bất cứ phép đo hay thiết bị đo nào cũng có sai số. Kết quả đo đ-
ợc chỉ có giá trị gần đúng. Nh vậy vấn đề đặt ra là phải tìm đợc nguyên nhân gây sai

số từ đó có thể loại bỏ hoặc giảm nhỏ sai số cũng nh việc định lợng để đánh giá đợc
chính xác phép đo. Các thiết bị đo số cũng nh các thiết bị đo nói chung đều có 2 loại
sai số sau:
+ Sai số hệ thống: Là sai số có độ lớn và dấu luôn gây ảnh hởng tới kết quả
đo, nó nh nhau đối với các lần đo.
+ Sai số ngẫu nhiên: Là sai số biến đổi không có quy luật, khác nhau về sự
xuất hiện, cách thức xuất hiện, có độ lớn và độ lớn và dấu không xác định.
15
Để nâng cao độ chính xác của thiết bị đo lờng số cần xét tới tác dụng của
những tác dụng ngẫu nhiên chứa đựng ở ngay trong phơng pháp đo, trong kỹ thuật
số hóa đã gây lên sai số, từ đó để đề xuất các phơng pháp xử lý, hạn chế dù là cha
thể xóa bỏ. Điều đó giúp ích cho sự nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo số, thiết
bị đo số có dùng Microprocessor là một trong những biện pháp quan trọng để nâng
cao độ chính xác của thiết bị đo.
- Khảo sát quy luật phân bố sai số
Để đánh giá đợc kết quả của phép đo cần định lợng đợc sai số. Với sai số của
kết quả mỗi lần đo riêng biệt. Khi đã loại bỏ đợc sai số hệ thống thì sai số còn lại
hoàn toàn phụ thuộc vào yếu tố ngẫu nhiên của phép đo. Kết quả các lần đo không
thuộc vào nhau nhng nó vẫn khác nhau vì các yếu tố ảnh hởng là khác nhau.
Nh vậy để có đợc kết quả phép đo phải đánh giá đợc nó. Từ đó ta cần xây
dựng đợc quy luật phân bố của sai số và dùng công cụ toán học cần thiết để khảo sát
và định lợng quy luật phân số này. Công cụ toán học dùng trong nghiên cứu sai số
đo lờng ở đây là lý thuyết xác suất và phơng pháp thống kê toán học.
* Hàm phân bố chuẩn ứng dụng trong đo lờng.
Trớc khi khảo sát đợc sai số ngẫu nhiên phải coi sai số ngẫu nhiên nh các
biến ngẫu nhiên của hàm phân bố, điều đó có nghĩa:
+ Phải tiến hành đo nhiều lần một đại lợng cần đo, các kết quả các lần đo đợc
thực hiện độc lập với nhau.
+ Các lần đo đều phải tiến hành cùng một điều kiện môi trờng đo và với sự
chu đáo nh nhau.

Khi tiến hành đo nhiều lần, rất nhiều lần tức là số lần đo n thì biểu đồ
thống kê tần xuất các trị số sai số phân bố theo độ lớn của nó sẽ có dạng tổng quát
là:
P(x) =


(I)
Hình I.23: Sơ đồ hàm số Gauss
Trong thực tế kỹ thuật thờng gặp các biến ngẫu nhiên liên tục với mật độ p(x)
dạng phân phối chuẩn
P(x) =



(2)
Trong đó:

và

là các hằng số là tham số phân phối (

>0); Tham số

chính
vọng số E(x) và

chính là độ lệch quân phơng của biến số ngẫu nhiên x tuân theo
phân phối trên.
Từ biểu thức (1) và (2) ta có:
16

P(x)
x
h =

; h là hằng số
Khi h đã cho thì hàm mật độ phân phối sai số x hòan tòan đợc xác định.
Tham số h biểu thị đặc tính phân bố của sai số quanh trị trung bình cộng của các sai
số ngẫu nhiên. Khi h lớn thì đờng cong dạng hình chuông hẹp và nhọn, tức là sai số
phân bố với mật độ lớn gần đờng trung bình của sai số ngẫu nhiên.
Hình I.24: Đặc tính phân bố của hàm Gauss.
Khi đã biết quy luật phân bố sai số ta có thể định lợng đợc trị số sai số ngẫu
nhiên. Điều này có thể thực hiện đợc bằng cách tính xác suất của sai số ngẫu nhiên
có phân bố theo hàm phân bố chuẩn lấy giá trị trong một khoảng cho trớc.
Theo tính chất của mật độ phân bố sai số ta có:
P = (|x| < x
i
) =

(3)
Từ biểu thức trên nếu thay biến số tích phân
x =

ta có hàm số Laplace.

(4)
Giả sử khi đo lờng cần phải tính chính xác suất để số ngẫu nhiên có phân bố
chuẩn lấy trị số lệch khỏi trị trung bình cộng (vọng số

) không quá một số

thì ta
có:
P(|x|<

) =

Nếu lấy với trị số

thì
P(|x| <3

=

Xác suất này rất gần 1, nên có thể coi hầu nh chắc chắn x sẽ lấy trị số trong
khoảng

. Nh vậy trong khoảng này thì số lần đo càng nhiều thì độ chính xác càng
cao và gần với giá trị

.
Hình I.25: Mật độ phổ phân bố xác suất
* Các đặc số dùng để biểu thị kết quả đo
+ Sai số trung bình bình phơng
Khi đo n lần lợt đại lợng x, kết quả nhận đợc n trị số sai số nằm trong khoảng
giới hạn từ x
1
đến x
n
. Xác suất xuất hiện sai số tại giá trị bằng x
1

và lân cận x
1
là:
dp
1
=

17
P(x)
h
1
,
x
0
h
2
,
x
99,73%
P(x)
Tại các giá trị x
2
, , x
n
là:
dP
2
=

dP

n
=

Xác suất của n lần đo có thể coi nh xác suất của một sự kiện phức tạp, ta có:
P
ph
= dP
1
+ dP
2
dPn =

(5)
Tùy theo giá trị của thông số h mà xác suất của chúng khác nhau và sẽ có xác
suất cực đại ứng với một cực trị của h
Để tìm cực trị của h thì từ biểu thức trên coi h là thông số biến đổi. Đạo hàm
của biểu thức trên theo h rồi cho bằng không.

Từ đó: n - 2 h
2
= 0
Do đó:

(6)
Vế bên phải của (6) là trị trung bình phơng của n lần đo. Trị số này là sai số
trung bình phơng ký hiệu là , cũng chính là độ lệch quân phơng của hàm phân phối
chuẩn.
+ Trị số trung bình cộng
Khi đo một đại lợng, có n kết quả đo: a
1

, a
2
, , a
n
và có n sai số đo:
x
1
= a
1
- X.
x
2
= a
2
- X.
x
n
= a
n
- X.
Vì giá trị X cần đo cha biết, ta chỉ có khả năng xác định đợc giá trị gần đúng
nhất, tức trị giá đó có xác suất lớn nhất. Gọi giá trị này là

Muốn vậy tất cả các sai số x
1
, x
2
, , x
n
phải có xác suất lớn nhất, nghĩa là P

ph
là cực đại.
Khi xác suất P
ph
cực đại là tơng ứng

là cực tiểu. Vì

là trị số gần bằng trị số
thực X, nên có thể thay thế trong các biểu thức x
i
. Đạo hàm

theo

rồi cho bằng
không.

Do đó

(7)
Vậy

là trị trung bình cộng của các kết quả các lần đo, nó có xác suất lớn nhất,
tức là gần trị số thực cần đo đợc nhất. Nó cũng chính là vọng số của luật phân phố
xác suất của biến ngẫu nhiên, là trị số bình quân của biến ngẫu nhiên.
+ Sai số d:
Trên thực tế tính toán kết quả đo, vì không biết số thực X cần đo, nên không
biết đợc các sai số x
i

= a
i
- X
Thực tế chỉ biết đợc các sai số tuyệt đối của giá trị các lần đo a
i
với

, gọi là sai
số d

(i = 1, 2, 3, , n)
Do đó:

Từ (6) ở trên ta có: h
2
=

(8)
Thay x
i
bằng
i
ta có:

Thông số h đã có tỷ lệ thay đổi là:

Quan hệ giữa
i
và x
i

cho ta có:

(11)
Khai triển

ta có:
18

=

+ 2

; i j
Theo quy luật phân bố chuẩn, các sai số có trị số tuyệt đối bằng nhau nhng trái
dấu thì có xác suất nh nhau. Nh vậy nếu tiến hành đo một số lần đủ lớn, thì các sai
số sẽ từng đôi một triệt tiêu.
Do đó

= 0 =>

=

Thay vào (11) ta có:

Do đó, có sự thay đổi của thông số h theo số lần đo n là:

hay H =

(13)
Từ công thức (13) ta thấy là cần phải hiệuchỉnh do các định nghĩa sai số theo lý

thuyết và sai số có đợc từ tính toán đo đợc trên thực tế.
Vì H > h nên thay x
i
bằng
i
mà không tính đến quan hệ (13) thì độ chính xác
của phép đo là không chân thực:
Công thức tính đợc đổi là:

Nh vậy, độ chính xác của phép đo tùy thuộc vào số lần đo n. Khi tăng số lần đo
sao cho

1 thì H h
Hình dới đây biểu thị mối quan hệ giữa

và số lần đo n.
Đó là sự sai khác của sai số x
i
tính theo định nghĩa lý thuyết và sai số
i
theo
tính toán thực tiễn đo đạc
Hình I.26: Sơ đồ thực tế mối quan hệ giữa

và n
Vì vậy để giảm tối thiểu tác động của sai số ngẫu nhiên, cần phải có số lợng
lần đo nhiều. Cần phải tính toán kết quả nhanh, chính xác và hiển thị trực tiếp đã đề
ra yêu cầu thiết bị đo lơng phải phối ghép đợc với máy tính số để có thể hoàn thiện
hơn chức năng đo lờng.
* Thực hiện giảm tối thiểu sai số ngẫu nhiên.

Nh đã nêu ở trên, sai số ngẫu nhiên thì không thể xác định trớc và loại bỏ đợc
nh loại bỏ sai số hệ thống. Điều có thể làm là giảm tối thiểu nó bằng cách xử lý kết
19
12
10
5
2,5
0 3 5 10 20
n


quả đo một cách thích hợp trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết sai số đo lờng bằng cách
sử dụng các quy luật phân bố ngẫu nhiên và công cụ tính toán là phép tính thống kê
xác suất. Nh vậy sai số ngẫu nhiên đợc tính toán với một số hữu hạn n lần đo có
trình tự nh sau:
+ Tính trị số trung bình cộng của n kết quả đo:


ở đây a
i
là kết quả lần đo thứ i mà đã loại bỏ sai số hệ thống.
+ Tính sai số trung bình bình phơng



Nếu tiến hành đo rất nhiều lần có thể coi

nh là một số liệu kết quả đo đợc để
rồi lại có thể xét sự phân bố ngẫu nhiên của tập hơn n kết quả đo bằng các

, ta có trị
trung bình bình phơng của các

là:


Để đảm bảo độ tin cậy của phép đo thờng lấy P = 0,9973. Khi đó trị số sai số là
sai số cực đại là;
= 3

Kết quả đo là:
X =

3

Phần II
Hệ thống đo lờng sử dụng kỹ thuật số
I. Khái niệm chung về hệ thống đo lờng số.
1. Khái niệm.
Phép đo lờng truyền thẳng là đo các tín hiệu tơng tự và hiển thị tín hiệu tơng
tự cần đo có trên dụng cụ hiển thị tín hiệu tơng tự. Phép đo lờng số là đo các tín hiệu
ở dạng tơng tự hoặc số và hiển thị các tín hiệu cần đo đó ở trên màn hình bằng
những con số cụ thể
Trong kỹ thuật đo lờng điện tử ngày nay, càng ngày càng đợc sử dụng nhiều
máy đo điện tử chỉ thị số. Đó là sự phát triển của kỹ thuật số và công nghệ vi mạch.
Sự xuất hiện của vi mạch loại mới vào đầu những năm 70, là các vi xử lý, là khối vi
mạch thích hợp cao, đã làm thay đổi quan niệm công nghệ và cơ cấu, tính năng của
thiết bị đo lờng, đặc biệt là thiết bị đo lờng điều khiển tự động.
Thiết bị đo lờng chỉ thị số khác với các loại thiết bị đo chỉ thị kim, chỉ thị
bằng ống tia điện tử ngoài hình thức hiển thị kết quả đo. Một đằng kết quả đo đợc

hiển thị bằng đèn chữ số, một đằng là vị trí kim trên thang khắc độ tạo đồng bộ trên
màn huỳnh quang. Mà chủ yếu khác nhau ở phơng pháp biến đổi tín hiệu của đại l-
ợng đợc đo. Thiết bị đo biến đổi liên tục các giá trị của đại lợng cần đo, để kết quả
chỉ thị ở đầu ra cũng biến đổi liên tục, tơng tự nh các giá trị đầu vào thiết bị đo biến
đổi giá trị của đại lợng cần đo thành một hệ thống các giá trị rời rạc để thực hiện chỉ
thị kết quả ở đầu ra, thì thiết bị đo này là loại thiết bị đo số. Digital.
2. Ưu điểm và nhợc điểm của hệ thống đo lờng số.
Phép đo số khác với phép đo tơng tự là chỉ ghi nhận kết quả đo gián đoạn
trong khi các đại lợng cần đo thờng là đại lợng biến đổi liên tục vấn đề chọn thang
đo có tính chất gián đoạn (lợng tử hóa) để đánh giá đại lợng liên tục thực tế không
làm giảm độ chính xác của phép đo, vì do có thể chọn khoảng gián đoạn nhỏ tùy ý
để đảm bảo độ chính xác yêu cầu. Giá trị này gọi là mức mẫu lợng tử thiết bị đo.
Ví dụ so sánh:
Ta cần đo điện áp khoảng từ 0V - 1000V. Nếu vôn mét số lấy mức lợng tử là
1V thì sai số của phép đo là 1
0
/
00
. Nếu đo bằng vôn mét chỉ thị kim thì khó đạt độ
20
chính xác trên. Vì trên vòng cung thang khắc độ ta khó chia độ vạch để phân biệt
giá trị đọc đợc nh trên.
Ví dụ cung chia độ có chiều dài

, góc mở cng 120
0
, bán kính 5cm là 100mm,
ta khó phân biệt đợc 10V trên 1mm.
- Ưu điểm của phơng pháp đo số
+ Tăng độ chính xác của phép đo

+ Nâng cao tốc độ đo
+ Loại bỏ sai số đo khi đọc kết quả
+ Thực hiện tự động hóa đợc quá trình đo
+ Kiểm tra liên tục, thực hiện chơng trình hóa đợc phép đo và kiểm tra các
thông số kỹ thuật của quá trình sản xuất
+ Có khả năng truyền trực tiếp các số liệu đo với máy tính điện tử, để tính
toán hay xử lý kết quả.
- Khuyết điểm của phơng pháp đo số
+ Mạch đo phức tạp đắt tiền
+ Độ tin cậy đo số mạch tăng mà bị giảm song do công nghệ vi mạch phát
triển, cả hai khuyết điểm trên đã trở thành không đáng kể.
Độ tin cậy và giá thành của các chíp càng ngày càng không còn rà nỗi băn
khoăn chủ yếu của ngời thiết kế và sử dụng máy đo điện tử.
Các u điểm trên cùng rõ rệt khi các thiết bị đo đợc thiết kế cài đặt vi xử lý.
II. Cấu trúc của thiết bị đo lờng số.
1. Sơ đồ khối
Sự phát triển của kỹ thuật số và kỹ thuật vi xử lý trong vài thập kỷ gần đây đã
tạo những biến đổi quan trọng cho kỹ thuật đo lờng điện tử. Vấn đề tin học hóa ph-
ơng pháp đo, số hóa cấu trúc thiết bị đo đã làm thay đổi cảnh quan của kỹ thuật đo l-
ờng mà điều quan trọng hơn cả là nâng cao hơn đợc về độ chính xác cho thiết bị đo.
Các thiết bị đo lờng số đang có xu hớng dần thay thế cho các thiết bị đô lờng tơng
tự, tuy chúng vấn còn các hạn chế do chính phơng pháp đo số và các cấu trúc cơ sở
của mạch đo số gây ra. Ví dụ sai số của các phần tử nhị phân (Flip - Elop) của các
phần tử biến đổi và sai số không đồng bộ + 1.
Sự ứng dụng các hiệu quả của kỹ thuật vi xử lý vào kỹ thuật đo lờng đã nâng
cao độ chính xác độ tin cậy cho thiết bị đo.
Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị đo số nh sau:

Hình II.1: Sơ đồ khối tổng quát của thiết bị đo số
Dù là thiết bị đo các thông số, đặc tính của tín hiệu (nh vôn mét số, tần số mét

số, pha mét số )hay là thiết bị đo các thông số và đặc tính của mạch điện. Các thiết
bị đo số đều có các khối cơ bản. Khối biến đổi tín hiệu, khối gia công xử lý tín hiệu
số (mạch đếm, mạch giải mã) và khối chỉ thị số.
2. Hoạt động của hệ thống
Đại lợng cần đo ở đây chính là đối tợng ta cần kiểm tra đánh giá đo đạc các
thông số của một hệ thống sản xuất nào đó. Các thông số nh là điện áp, dòng điện,
21
Đại l ợng
cần đo
Đại l ơng điện
Đại l ợng
không điện
Biến
đổi không
điện - điện
Biến
đổi
ADC
Thiết bị
đếm và
giải
mã
Chỉ
thị
số
công suất, áp suất, nhiệt độ, lực cơ học Các thông số này có thể ở dạng điện hoặc là
không điện. Với thông số đã ở dạng điện thì sẽ đợc đa trực tiếp sang bộ biến đổi
ADC. Với đại lợng không điện thì phải đợc đa qua bộ biến đổi không điện - điện tr-
ớc khi đa vào số hóa. Bộ biến đổi này gọi chung là bộ cảm biến. Sau đây ta xét một
số loại cảm biến cơ bản.

- Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ là biến đổi sự chênh lệch nhiệt độ
giữa tín hiệu cần đo và nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện.
Các phơng pháp chính dùng cảm biến để đo nhiệt độ phơng pháp quang dựa
trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler)
Phơng pháp cơ dựa trên sự gây nổ của vật rắn của chất lỏng hoặc khí (với áp
suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ ẩm.
Phơng pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng
Seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi vào tần số dao động của thạch anh.
- Cảm biến vị trí và dịch chuyển
Có hai phơng pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển
Phơng pháp 1: Cảm biến cung cấp một tín hiệu là hàm phụ thuộc vào một
trong những phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử đó liên quan đến vật di động
mà ta cần đo sự dịch chuyển. Sự thay đổi của tín hiệu đo sẽ cho biết rõ dịch chuyển
của vật thể (phơng pháp này đợc sử dụng nhiều hơn).
Phơng pháp 2:ứng với một dịch chuyển cơ bản (một đơn vị dịch chuyển) cảm
biến sẽ phát ra một xung. Khi đo vị trí và dịch chuyển đợc xác định bằng cách đếm
số xung phát ra. Phơng pháp này ít sử dụng.
Bộ biến đổi ADC:
Bộ biến đổi A/D là tất cả mọi thao tác để biến đổi một đại lợng vật lý, một tín
hiệu biến đổi liên tục theo thời gian thành một số hữu hạn trong một hệ thống số đã
cho.
Bộ ADC thờng là khâu nối giữa bộ phận nguồn tin và xử lý tin trong hệ thống
đo lờng số.
Thông thờng quá trình biến đổi A - D là quá trình:
- Tạo điện áp chuẩn: Điện áp chuẩn nh là tập hợp các giá trị khác nhau của
một điện áp ổn định, hay điện áp biến đổi theo một quy luật xác định, ví dụ điện áp
biến đổi tuyến tính theo thời gian.
- Thực hiện so sánh điện áp tơng tự cần biến đổi với điện áp chuẩn.
- Tạo mã số, thực hiện do độ đếm xung hay trực tiếp do các khối thuật toán
thực hiện.

Các thông số của bộ biến đổi ADC
- Tốc độ biến đổi
- Độ chính xác biến đổi, có sai số do nguyên lý biến đổi và sai số do dụng cụ
biến đổi.
- Dải biến đổi: Biên độ tín hiệu vào từ cực tiểu đến cực đại
Ngoài ra còn độ nhạy, độ tin cậy, khả năng biến đổi nhiều kênh, điện trở
vào
Sau khi tín hiệu qua bộ ADC chuyển về tín hiệu số thì nó sẽ đợc đa vào bộ
đếm để tiến hành đếm số xung. Trong máy đo bộ đếm thờng dùng để phân chia tần
số biến đổi tự động tơng tự - số, số - tơng tự, điều khiển thiết bị làm việc theo chơng
trình, thực hiện đo đếm và chỉ thị số trong các máy đo số.
Kết quả thu đợc sẽ đa vào bộ giải mã dới dạng dãy số nhị phân để tiện lợi
quan sát và đọc kết quả đo cần phải chuyển đổi thành dãy số thập phân và đợc đa tới
thiết bị chỉ thị để hiện thị kết quả đo đợc.
Tùy theo cách chỉ thị, thể hiện chữ số trong hệ cơ số mời, mà có sự cấu tạo
các bộ giải mã khác nhau. Khi chỉ thị dùng đèn số (đèn có khí, có 10 ca tốt ứng với
22
10 số trong hệ đếm 10 và 1 anốt) hay đèn nêông. Đèn báo đợc bố trí theo kiểu vị trí
thì bộ giải mã là loại giải mã 2 - 10. Bộ giải mã này có 8 đầu vào (4 đầu kép) và 10
đầu ra.
Khi chỉ thị dùng kiểu tổ hợp các thanh hay điểm để thể hiện chữ số. Khi đó
đầu ra không phải là 10 mà tùy theo số phần tử thanh hay điểm dùng để tổ hợp. Bộ
giải mã này có tính chuyên dụng.
Sau khi giải mã xong thì kết quả sẽ đợc đa ra chỉ thị. Trong thiết bị đo số tùy
theo thời gian mà đã có các loại chỉ thị số sau, là sự phân loại theo dụng cụ chỉ thị.
- Chỉ thị số dùng hệ thống cơ điện, cơ - điện - quang
- Chỉ thị số dùng hệ đèn báo công suất bé (đèn sợi quang)
- Chỉ thị số dùng đèn số loại có khí
- Chỉ thị số dùng linh kiện có hiệu ứng phát quang
- Chỉ thị số dùng linh kiện là tinh thể lỏng

Còn về phơng pháp thể hiện chữ số của các dụng cụ chỉ thị kể trên thì cũng
có nhiều cách chữ số sẽ hiện sáng khi đèn đợc đốt sáng, chữ số đợc khắc sẵn ở vị trí
cố định cùng với đèn ở trên panen hay bản thân catốt của đèn đã đợc uốn sẵn theo
hình chữ số, chữ số đợc thể hiện bằng tổ hợp các đèn là các điểm sáng, hay tổ hợp
các đèn là các thanh sáng đợc thực hiện đốt nóng đồng thời.
3. Cổng nối tiếp RS232
Cổng nối tiếp RS232 là giao diện phổ biến rộng rãi nhất. Ngời dùng máy PC
còn gọi các cổng này là COM1, còn COM2 để tự do cho các ứng dụng khác giống
nh cổng máy in, cổng nối tiếp RS232 cũng đợc sử dụng một cách rất thuận tiện cho
mục đích đo lờng và điều khiển.
Việc truyền dữ liệu qua cổng RS232 đợc tiến hành theo cách nối tiếp, nghĩa
là các bít dữ liệu đợc gửi đi nối tiếp nhau trên một đờng dẫn. Trớc hết loại truyền
dẫn này có khả năng dùng cho những khoảng cách lớn hơn, bởi vì các khả năng gây
nhiễu là nhỏ đáng kể hơn khi dùng một cổng song song. Việc dùng cổng song song
có một nhợc điểm đáng kể là cáp truyền dùng quá nhiều tín hiệu nằm trong khoảng
0 ữ 5V đã tỏ ra không thích ứng với khoảng cách lớn.
Cổng nối tiếp RS232 không phải là một hệ thống bus, nó cho phép dễ dàng
tạo ra liên kết dới hình thức điểm với điểm giữa hai máy cần trao đổi thông tin với
nhau. Một thành viên thứ 3 không thể tham gia vào cuộc trao đổi thông tin này. Hình dới
đây là sự bố trí chân của phích cắm RS 232 ở máy tính PC.
23
0 0
1 5
6 9
14 24
1 13
00
Hình II.2: Sơ đồ bố trí chân của RS232.
Bảng II.1: Sắp xếp chân của cổng nối tiếp RS232.
Chân

(Loại 9 chân)
Chân
(Loại 25 chân)
Chức năng
1 8 DCD - Data Carrier Detect Lối vào
2 3 RxD - Receive Data Lối vào
3 2 T x D - Transmit Data Lối ra
4 20 DTR - Data Terminal Ready Lối ra
5 7 GND - Nối đất
6 6 DSR - Data Set Ready Lối vào
7 4 RST- Request to send Lối ra
8 5 CTS - Clear to send Lối vào
9 22 RI - Ring Indicator Lối vào
Sắp xếp chân của cổng nối tiếp ở máy tính PC. Từ hình vẽ trên ta thấy ổ cắm
nối tiếp RS 232 có tổng cộng 8 đờng dẫn cha kể đờng nối đất. Trên thực tế có hai
loại phích cắm, một loại có 9 chân và một loại 25 chân. Cả hai loại này đều có
chung một đặc điểm khác hẳn với cổng máy in là chỗ nối với máy in ở máy tính PC
là ổ cắm trong khi ở cổng nối tiếp lại phích cắm nhiều chân.
Việc truyền dữ liệu xảy ra ở trên hai đờng dẫn. Qua chân cắm ra TxD
(Transmit Data), máy tính gửi các dữ liệu của nó đến máy kia. Trong khi đó các dữ
liệu mà máy tính nhận đợc lại đợc dẫn đến chân nối RxD (Receive Data). Các tín
hiệu khác đóng vai trò nh là những tín hiệu hỗ trợ khi trao đổi thông tin và vì thế
không phải trong mọi ứng dụng đều dùng đến.
Việc truyền dữ liệu:
Mức tín hiệu trên chân ra RxD tùy thuộc vào đờng dẫn TxD và thông thờng
nằm trong khoảng -12V đến +12V. Các bít dữ liệu đợc gửi đảo ngợc lại. Mức điện
áp đối với mức High nằm giữa -3V và -12V và mức Low nằm ở giữa +3V và +12V.
Hình dới đây mô tả một dòng dữ liệu điển hình của một byte dữ liệu trên cổng nối
RS232.
Hình II.3: Sơ đồ dòng một Byte dữ liệu trên cổng nối tiếp RS232

ở trạng thái tĩnh trên đờng dẫn có điện áp -12V một bít khởi động (starbit) sẽ
mở đầu việc truyền dữ liệu. Tiếp đó là các bít dữ liệu riêng lẻ sẽ đến, trong đó những
bít giá trị thấp sẽ đợc gửi trớc tiên. Con số của các bít dữ liệu thay đổi giữa 5 và 8. ở
cuối của dòng dữ liệu còn có một bít dừng (stop bit) để đặt trở lại trạng thái lối ra (-
12V).
Bằng tốc độ Baud, ta thiết lập tốc độ truyền dữ liệu. Các giá trị thông thờng
là 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 baud. Ký hiệu baud tơng ứng với số bit
đợc truyền trong một giây. Chẳng hạn khi tốc độ baud bằng 9600 có nghĩa là có
9600 bit dữ liệu đợc truyền trong một giây. Từ đó ta suy ra rằng còn có một bit bắt
24
+12V
Starbit
Low
High
-12V
D0 D1 D2 D3 D4 D5
D6
D7
Starbit
1 0 0
1
1 1
0 0
T = 1/f
Baud
1,04ms
104às
đầu và một bit dừng đợc gửi kèm theo với một byte dữ liệu. Nh vậy với một byte đã
có 10 bit đợc gửi. Nhờ vậy mà có thể ớc đoán một cách dễ dàng lợng dữ liệu cực đại
đã đợc truyền. Với tốc độ 9600 baud cho phép truyền nhiều nhất là 960 byte mỗi

giây. Qua cách ớc tính đơn giản này ta cũng thấy đợc một nhợc điểm không nhỏ của
cổng truyền nối tiếp là tốc độ truyền dữ liệu bị hạn chế.
Còn một vấn đề nữa là khuôn mẫu (Format) truyền dữ liệu cần phải đợc thiết
lập nh nhau cả ở bên gửi và cũng nh ở bên nhận. Các thông số truyền có thể đợc
thiết lập trên máy PC bằng các câu lệnh trong DOS. Ngay cả trong WINDOWS cũng
có những chơng trình riêng để sử dụng. Khi đó các thông số truyền dữ liệu nh: tốc
độ baud, số bit dữ liệu, số bit dừng, bit chẵn lẻ (parity) có thể đợc thiết lập một cách
rất đơn giản.
4. Cổng RS 485
RS485 sử dụng phơng thức truyền số liệu sao lệch đối xứng, do những u
điểm về khả năng chống nhiễu mà nó có thể truyền xa tới 1700m không cần bộ lặp,
tốc độ truyền tối đa là 12mb/s. Tuy nhiên các yếu tố này cũng phụ thuộc rất nhiều
vào chất lợng dây dẫn, cũng nh việc đánh giá chất lợng tín hiệu. RS485 có thể tham
gia ghép nói nhiều điểm chính vì vậy mà nó đợc sử dụng nhiều trong mạng công
nghiệp.
Bảng II.2: Các thông số cơ bản của RS 485
STT Thông số kỹ thuật Điều kiện Giá trị min Giá trị max
1 Điện áp đầu ra hở mạch
1,5V 6V
2 Điện áp đầu ra khi có tải
R
load
= 54 1,5V 5V
3 Dòng ra ngắn mạch
250mA
4 Điện áp chế độ chung đầu ra V
oc
R
load
= 54

- 1V 3V
5 Thời gian quá độ đầu ra
R
load
= 54
30%T
b
6 Độ nhạy đầu vào C
load
= 54 pF
200mV
7 Điện áp chế độ chung V
CM
-7V < V
CM
< 12V -7V 12V
8 Trở kháng đầu vào
12k
Trong đó: T
b
: thời gian bit
V
oc
: (output Common mode voltage) đợc xác định bằng chênh lệch từ điểm
giữa của tải đầu ra so sánh với đất của bộ kích thích.
V
cm
: (common mode voltage) đợc tính bằng giá trị trung bình của điện áp hai
dây.
Để có thể ghép nối nhiều điểm thực chất trong các bộ phát của RS485 có các

đầu vào để định chúng ở trạng thái cao trở. Khi một số trạm nào đó tham gia truyền
thông tin trong mạng thì các trạm khác phải ở trạng thái cao trở
25
0
1
+6V
+5V
+1,5V
-1,5V
- 5V
- 6V