TÀI LIỆU TỔNG QUAN VỀ DAQ (DATA ACQUISITION AND CONTROL)

Tài liệu:

TỔNG QUAN VỀ DAQ (DATA
ACQUISITION AND
CONTROL)
Tài liệu DAQ Chương 1
Trang 1 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ DAQ (DATA ACQUISITION AND
CONTROL)
1. Định nghĩa và khái niệm
Thu thập dữ liệu (data acquisition) là quá trình chuyển tín hiệu vật lý từ thế giới
thực thành tín hiệu điện để đo lường và chuyển sang tín hiệu số cho quá trình xử lý,
phân tích và lưu trữ bằng máy tính.
Trong hầu hết các ứng dụng, hệ thu thập dữ liệu (Data Acquisition (DAQ)
System) được thiết kế không những chỉ để thu thập dữ liệu mà còn cả chức năng điều
khiển. Vì vậy khi nói hệ DAQ thường hàm ý cả chức năng điều khiển (Data
Acquisition and Control)

Hình 1.1 – Các thành phần cơ bản của hệ DAQ

Tài liệu DAQ Chương 1
Trang 2 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
1.1. Bộ chuyển đổi (transducer) và cảm biến (sensor)
Bộ chuyển đổi và cảm biến thực hiện thay đổi các tín hiệu vật lý thành tín hiệu
điện để phần cứng có thể xử lý.
Bộ chuyển đổi có thể chuyển hầu hết các đại lượng cần đo sang tín hiệu điện
như: cặp nhiệt điện, nhiệt kế điện trở (RTD – Resistive Temperature Detector), nhiệt
trở, …
1.2. Dây nối và cáp truyền thông
Dây nối: liên kết ngõ ra của chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín
hiệu hoặc từ khối xử lý tín hiệu đến PC nếu khối xử lý tín hiệu cách xa PC.
Trường hợp phần cứng khối xử lý tín hiệu cách xa PC và chuẩn truyền tín hiệu
là RS-232 hoặc RS-485 : cáp truyền thông
Đây thường là thành phần cồng kềnh nhất của hệ thống và dễ chịu tác động của
nhiễu bên ngoài, đặc biệt trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Vì vậy cần quan
tâm đặc biệt đến vấn đề chống nhiễu cho dây nối và cáp truyền thông để giảm thiểu
ảnh hưởng của nhiễu.
1.3. Xử lý tín hiệu (Data conditioning)
Tín hiệu điện đầu ra của cảm biến cần được chuyển sang dạng thích hợp, tương
thích với phần cứng khối thu thập dữ liệu, đặc biệt là bộ chuyển đổi A/D.
Các nhiệm vụ của thành phần này có thể là:
- Lọc: thường là bộ lọc thông thấp để loại các thành phần tần số nhiễu.
- Khuếch đại: dùng để tăng độ phân giải cho hệ thống.
- Tuyến tính hóa: dùng để hiệu chỉnh cho các bộ chuyển đổi phi tuyến như
cặp nhiệt điện.
- Cách ly: dùng để cách ly với máy tính nhằm bảo vệ máy tính trước các
thành phần điện áp cao.
- Kích thích: dùng cho các bộ chuyển đổi cần dòng hay áp kích thích ngoài
như cảm biến điện trở, nhiệt trở, …

1.4. Phần cứng thu thập dữ liệu
Thực hiện các chức năng sau:
- Chuyển tín hiệu dạng tương tự sang dạng số để hiển thị, lưu trữ và phân tích
- Đọc vào tín hiệu số chứa đựng thông tin về quá trình của một hệ thống.
- Chuyển tín hiệu số từ PC sang tín hiệu điều khiển để điều khiển một hệ
thống hay quá trình.
- Xuất ra tín hiệu điều khiển dạng số.
Phần cứng thu thập dữ liệu tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau từ nhiều
nhà sản xuất, có thể là: card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion bus boards),
intelligent stand-alone loggers and controllers (loại này có thể được định cấu hình,
quan sát và điều khiển từ máy tính qua RS-232 hoặc có thể hoạt động độc lập), hoặc
Tài liệu DAQ Chương 1
Trang 3 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
các thiết bi độc lập từ xa có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính qua chuẩn
giao tiếp IEEE-488.
1.5. Phần mềm thu thập dữ liệu
Có 3 lựa chọn:
- Đọc và xuất dữ liệu trực tiếp dùng tác động lên các thanh ghi của phần cứng
thu thập dữ liệu
- Dùng driver đi kèm với phần cứng cung cấp bởi nhà sản xuất để phát triển
phần mềm
- Dùng gói phần mềm ứng dụng cung cấp kèm với phần cứng thu thập dữ liệu
để thực hiện tất cả các nhiệm vụ yêu cầu cho một ứng dụng cụ thể
1.6. Máy chủ
Dùng thực thi các chương trình phần mềm và lưu trữ dữ liệu, có ảnh hưởng rất
lớn đến tốc độ của hệ thống.
2. Cấu hình hệ DAQ
Việc lựa chọn cấu hình cho hệ DAQ phụ thuộc vào:
- Môi trường làm việc (phòng thí nghiệm, thu thập dữ liệu trong cùng khu vực
sản xuất hay từ xa),

- Số lượng cảm biến và cơ cấu chấp hành yêu cầu, vị trí của chúng với máy
chủ, hình thức xử lý tín hiệu yêu cầu, độ khắc nghiệt của môi trường làm
việc là các yếu tố quan trọng.
Các cấu hình thông dụng của hệ DAQ:
- Vào/ra tại chỗ (tập trung) với PC
- Vào/ra phân tán
- Các bộ thu thập dữ liệu và điều khiển độc lập hoặc phân tán
- Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488
2.1. Vào / ra tập trung (Plug-in I/O)
- Các mạch vào/ra tập trung được cắm trực tiếp vào máy tính qua các bus mở
rộng
- Đặc điểm: nhỏ gọn, tốc độ thu thập dữ liệu và điều khiển nhanh nhất, chi phí
thấp vì vậy thường được dùng.
- Được sử dụng trong các ứng dụng mà máy chủ ở gần cảm biến và cơ cấu
chấp hành.

Tài liệu DAQ Chương 1
Trang 4 GV: Phạm Hùng Kim Khánh

Hình 1.2 – Một số ví dụ của Plug-in I/O board
2.2. Vào / ra phân tán (Distributed I/O)
Trong môi trường sản xuất công nghiệp, cảm biến và cơ cấu chấp hành thường
ở xa máy chủ, ở trong môi trường khắc nghiệt và bao phủ trong một diện tích rộng,
cách xa máy chủ hàng trăm mét. Do đó, khó có thể nhận được tín hiệu nhỏ từ các cảm
biến như cặp nhiệt, cảm biến điện trở (strain gauge) qua đường truyền dài đồng thời
dây nối từ cảm biến về máy chủ dài và tốn kém.
Giải pháp:
- Module xử lý tín hiệu được đặt gần mỗi cảm biến tương ứng cũng như mỗi
cảm biến cần có một module xử lý tín hiệu: vào/ra phân tán.
- Giải pháp này có thể tốn kém nếu có nhiều cảm biến nhưng chất lượng tín

hiệu và độ chính xác cao.
- Dạng thường gặp của vào/ra phân tán là bộ phát số. Bộ phát số này thực
hiện tất cả các chức năng xử lý tín hiệu cần thiết, có bộ vi điều khiển và
chuyển đổi tương tự - số (ADC) để chuyển tín hiệu cần đo sang dạng số. Tín
hiệu dạng số này được truyền về máy chủ bằng chuẩn RS-232 hoặc RS-485.
- RS-232: khoảng cách truyền gần.
- RS-485: (multi-drop): giảm số lượng cáp truyền, có thể kết nối đến 32
modules, khoảng cách truyền có thể lên đến 10km nếu dùng multi-drop
network. (RS-232: tối đa 15m).
Tài liệu DAQ Chương 1
Trang 5 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
- Cần bộ chuyển đổi từ RS-232 sang RS-485 do hầu hết các máy chủ không
hỗ trợ chuẩn RS-485.

Hình 1.3 – Vào / ra phân bố - module phát số
2.3. Bộ thu thập dữ liệu độc lập hay phân tán
Ưu điểm: giống ưu điểm của I/O phân tán với các bộ xử lý tín hiệu thông minh,
đồng thời khả năng tự quyết định từ xa làm tăng độ tin cậy của hệ thống, có thể điều
khiển và định cấu hình từ máy tính dùng giao tiếp nối tiếp hoặc card PCMCIA
(Personal Computer Memory Card International Association) và có thể hoạt động độc
lập mà không cần máy chủ (đây là mục tiêu chính). Vì vậy rất hữu ích khi phải đặt các
bộ thu thập dữ liệu ở xa hoặc trong môi trường khắc nghiệt hoặc các ứng dụng không
cho phép sự kết nối liên tục tới máy tính (ví dụ: điều khiển nhiệt độ trong các xe tải
đông lạnh).

Tài liệu DAQ Chương 1
Trang 6 GV: Phạm Hùng Kim Khánh

Hình 1.4 - Sử dụng card PCMCIA để nhập dữ liệu từ bộ điều khiển / đăng nhập
độc lập


Hình 1.5 - Sơ đồ bộ thu thập dữ liệu độc lập qua giao tiếp nối tiếp RS-232
Tài liệu DAQ Chương 1
Trang 7 GV: Phạm Hùng Kim Khánh

Hình 1.6 - Kết nối bộ thu thập dữ liệu độc lập qua mạng điện thoại hay radio

Hình 1.7 - Hệ thu thập dữ liệu phân tán
Tài liệu DAQ Chương 1
Trang 8 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
2.4. Các thiết bị lập trình được IEEE-488
- Chuẩn truyền thông này còn được gọi là GPIB (General Purpose Interface
Bus), được thành lập năm 1965 bởi Hewlett-Packard để kết nối và điều
khiển các thiết bị đo thử lập trình được của hãng. Chuẩn này nhanh chóng
được thế giới chấp nhận và trở thành chuẩn IEEE-488 nhờ tốc độ, tính linh
hoạt và hữu ích trong việc kết nối các thiết bị trong phòng thí nghiệm.
- GPIB là chuẩn giao tiếp truyền thông song song tốc độ cao cho phép kết nối
đồng thời 15 thiết bị trên bus truyền dữ liệu song song. Thường yêu cầu có
bộ điều khiển GPIB để định địa chỉ cho từng thiết bị và khởi tạo các thiết bị

sẽ truyền thông với nhau.
- Tốc độ truyền thông tối đa, chiều dài cáp truyền tối đa, khoảng cách tối đa
giữa các thiết bị phụ thuộc vào tốc độ và khả năng xử lý của bộ điều khiển
GPIB và loại cáp truyền.
- Phù hợp cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu hoặc đo thử trong công
nghiệp
- Có hàng ngàn sản phẩm trên thị trường hỗ trợ chuẩn giao tiếp này

Hình 1.8 - Cấu trúc hệ GPIB thông dụng

Tài liệu DAQ Chương 2
Trang 9 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Chương 2
XỬ LÝ TÍN HIỆU NGÕ VÀO CHO HỆ DAQ
(SIGNAL CONDITIONING)
1. Giới thiệu
Tín hiệu điện ngõ ra của bộ chuyển đổi / cảm biến cần được biến đổi cho phù
hợp với ngõ vào của phần cứng DAQ. Ngoài ra, một số bộ chuyển đổi / cảm biến cần
nguồn kích thích hoặc cầu Wheaston và tuyến tính hóa để tín hiệu đo được chính xác.
Hầu hết các hệ DAQ đều bao gồm khâu xử lý tín hiệu dưới một hình thức nào
đó.
Các hình thức cơ bản mà khâu xử lý tín hiệu có thể thực hiện là:
- Khuếch đại
- Cách ly
- Lọc
- Kích thích
- Tuyến tính hóa
Khâu xử lý tín hiệu của hệ DAQ phải thực hiện nhiệm vụ nào và cách thức thực
hiện là gì phụ thuộc vào số lượng và loại của bộ chuyển đổi / cảm biến, yêu cầu về
nguồn kích thích và nối đất cho cảm biến, đồng thời không kém phần quan trọng là

khoảng cách từ cảm biến tới máy chủ trung tâm.
2. Các kiểu xử lý tín hiệu
2.1. Khuếch đại
Là nhiệm vụ chính yếu của khâu xử lý tín hiệu nhằm:
- Tăng độ phân giải cho phép đo (nhiệm vụ chính)
- Tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR)
Tăng độ phân giải:
Ví dụ: Xét tín hiệu ngõ ra cảm biến 0-10mV nếu đưa trực tiếp vào ADC 12bit
với full-scale 10V
ADC 12 bit  có tất cả 2
12
= 4096 mức điện áp khác nhau.
Điện áp ngõ vào ADC từ 0V – 12V  độ phân giải 10V/4096 = 2,44 mV
Ngõ ra cảm biến từ 0 – 10 mV  chỉ phân biệt 5 mức điện áp: 0V; 2,44 mV;
4,88 mV; 7,32 mV và 9,76 mV.
Nếu thực hiện khuếch đại tín hiệu tại ngõ ra cảm biến 10 lần: điện áp đưa vào
ADC sẽ nằm trong khoảng 0 – 100 mV  phân biệt được 41 mức điện áp khác nhau.
Tăng SNR:
Tín hiệu nhỏ ở ngõ ra của cảm biến cách xa phần cứng DAQ nếu được truyền
trong môi trường nhiễu sẽ bị ảnh hưởng lớn của nhiễu. Nếu tín hiệu nhỏ (bị nhiễu) này
được khuếch đại tại phần cứng DAQ sau khi được truyền qua môi trường nhiễu thì
Tài liệu DAQ Chương 2
Trang 10 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
nhiễu trong tín hiệu này cũng được khuếch đại như tín hiệu cần đo. Nếu nhiễu so sánh
được với tín hiệu cần đo (SNR thấp) sẽ dẫn đến sai số lớn cho phép đo và phép đo là
vô nghĩa.
Tăng SNR bằng cách khuếch đại tín hiệu nhỏ ở đầu ra cảm biến trước khi
truyền.
Ví dụ: Cặp nhiệt loại J có độ nhạy 50uV/
0

C. Nếu tín hiệu đầu ra cặp nhiệt được
truyền trong môi trường có nhiễu lớn với khoảng cách 10m, nhiễu đặt lên tín hiệu của
cặp nhiệt có thể lên đến 200uV dẫn đến sai số đến 4
o
C. Nếu khuếch đại tín hiệu tại đầu
ra cặp nhiệt lên 500 lần thì độ nhạy lúc này là 25mV/
0
C, sai số đo nhiễu lúc này (hàng
uV) là rất nhỏ.
2.2. Cách ly
 Cách ly dùng Opto : thường dùng cho tín hiệu số

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

Cách ly giúp bảo vệ thiết bị phần cứng DAQ, PC cũng như người vận hành khỏi
điện áp cao trong quá trình quá độ, sét hay tĩnh điện cũng như hỏng hóc của các thiết
bị cao áp. Các bộ bảo vệ quá áp được đặt ở đầu vào của khâu xử lý tín hiệu để bảo vệ
khâu này. Cách ly còn nhằm đảm bảo vòng nối đất không ảnh hưởng đến tín hiệu đo.
Tài liệu DAQ Chương 2
Trang 11 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
2.3. Mạch lọc
Mạch lọc thực hiện nhiệm vụ loại bỏ nhiễu ra khỏi tín hiệu cần đo trước khi tín
hiệu này được khuếch đại và đưa vào ADC. Quá trình lọc có thể thực hiện bằng phần
cứng hoặc phần mềm.
Lọc bằng phần mềm: đọc tín hiệu đo nhiều lần hơn cần thiết và lấy trung bình.
Phương pháp này loại bỏ được nhiễu tuần hoàn hoàn toàn nếu các mẫu được trung
bình hóa trong một chu kỳ của nhiễu.

Lọc bằng phần cứng: các mạch lọc tương tự là rẻ nhất, bao gồm các mạch lọc
thụ động (dùng các phần tử thụ động như RLC) và tích cực (dùng khuếch đại thuật
toán – OpAmp)
Các thông số thông dụng của mạch lọc:
- Tần số cắt
- Roll-off: độ dốc của đường cong biên độ theo tần số (biểu đồ Bode) tại tần
số cắt.
- Hệ số phẩm chất: quyết định độ lợi của mạch lọc tại tần số cộng hưởng và
roll-off
2.4. Tuyến tính hóa
Thông thường, quan hệ giữa ngõ ra của cảm biến và tín hiệu đầu vào cần đo là
phi tuyến. Phần mềm của hệ DAQ thường thực hiện chức năng tuyến tính hóa. Tuy
nhiên, nếu mối quan hệ phi tuyến là dự đoán được và có tính lặp lại thì có thể tuyến
tính hóa bằng phần cứng.
3. Phân loại khâu xử lý tín hiệu
3.1. Các mạch xử lý tín hiệu cắm vào PC
- Mạch xử lý tín hiệu nằm trên phần cứng DAQ cắm vào máy chủ như hình.
- Mỗi mạch xử lý tín hiệu cho một loại cảm biến
- Sử dụng cho ứng dụng nhỏ với số lượng cảm biến ít và nằm gần máy chủ

3.2. Các bộ phát 2 dây nối trực tiếp
Bộ phát 2 dây là module xử lý tín hiệu 2 cửa: nhận tín hiệu cần xử lý ở đầu vào
và xuất tín hiệu đã xử lý ở đầu ra. Mỗi module cần một loại cảm biến. Các bộ phát này
không phải là thiết bị thông minh và không có ADC trên mạch.
Tài liệu DAQ Chương 2
Trang 12 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Tín hiệu đã được xử lý được truyền về phần cứng hệ DAQ tại máy chủ bằng 2
dây, tín hiệu truyền có thể là điện áp hoặc mạch vòng dòng điện (4-20 mA).
 Tín hiệu truyền điện áp (± 10V hoặc 0-10V) tương thích với hầu hết với đầu
vào các mạch DAQ cho phép giao tiếp dễ dàng với các board DAQ hiện đại.

Tuy nhiên hạn chế của tín hiệu này là sụt áp trên dây truyền ở khoảng cách xa
nên chỉ dùng phương pháp truyền điện áp khi đường truyền ngắn.
 Tín hiệu dòng điện có khả năng miễn nhiễm với nhiễu cao và có thể truyền với
khoảng cách hàng trăm m (lên đến 1000m). Bộ thu chuyển dòng sang áp để đưa
vào ADC. Bộ thu thường là một điện trở khoảng 500  / 10V (dòng 20 mA).
 Mỗi cặp cáp truyền cho một cảm biến riêng lẻ nhiều cáp kết nối đến máy chủ.
 Nguồn cung cấp (15-40V) cần đủ công suất cung cấp dòng cho các modules
theo yêu cầu.
 Sơ đồ khối của một bộ phát 2 dây trực tiếp như hình



Tài liệu DAQ Chương 2
Trang 13 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
3.3. Vào/ra phân tán - bộ phát số

Mạch xử lý tín hiệu vào/ra phân tán sử dụng bộ phát số


Mạch xử lý tín hiệu vào/ra phân tán sử dụng bộ phát số riêng biệt
Tài liệu DAQ Chương 2
Trang 14 GV: Phạm Hùng Kim Khánh

4. Nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu
4.1. Khái niệm
Nhiễu: tín hiệu điện không mong muốn trong mạch.
Không thể triệt nhiễu hoàn toàn mà chỉ có thể giảm biên độ nhiễu cho đến khi
biên độ của nó không gây ảnh hưởng lên tín hiệu đo
4.2. Nguồn nhiễu và phân loại nhiễu
Có 3 thành phần tham gia quá trình sinh nhiễu:

Tài liệu DAQ Chương 2
Trang 15 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Các hình thức gây nhiễu thường gặp trong hệ DAQ
- Ghép nối hỗ cảm (inductive coupling)
- Ghép nối điện dung (capacitive coupling)
- Ghép nối điện trở (conductive coupling)
Ghép nối điện trở:


Ghép nối điện dung:




Tài liệu DAQ Chương 2
Trang 16 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Ghép nối hỗ cảm:




Tài liệu DAQ Chương 2
Trang 17 GV: Phạm Hùng Kim Khánh


4.3. Chống nhiễu
Dùng cáp có vỏ bọc và nối đất vỏ bọc : giảm nhiễu do tương hỗ điện dung gây
ra.

V
n
= jω R
S
C
2S
V
NS


Nối đất vỏ cáp:


Tài liệu DAQ Chương 2
Trang 18 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Dùng cáp có vỏ bọc và xoắn đôi
Dùng cáp xoắn đôi
Dùng cáp đồng trục




Tài liệu DAQ Chương 3
Trang 19 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Chương 3
GIAO TIẾP GIỮA HỆ DAQ VỚI MÁY TÍNH
1. Chuyển đổi AD (Analog to Digital)
1.1. Nguyên lý
Chuyển đổi AD là qua trình chuyển từ tín hiệu tương tự từ các nguồn bên ngoài
thành dạng tín hiệu số để máy tính có thể xử lý được.

Quá trình chuyển đổi AD bao gồm:
- Lấy mẫu tín hiệu (Sampling).
- Lượng tử hóa (Quantizing).
- Mã hóa (Coding).
1.1.1. Lấy mẫu
Là quá trình thay tín hiệu tương tự bằng biên độ của nó ở những thời điểm cách
đều nhau, gọi là chu kỳ lấy mẫu. Các giá trị này sẽ được chuyển thành số nhị phân để
có thể xử lý được. Vấn đề ở đây là phải lấy mẫu như thế nào để có thể khôi phục lại tín
hiệu gốc. Tín hiệu lấy mẫu của tín hiệu gốc s(t) biểu diễn là s(nT) với T là chu kỳ lấy
mẫu.
s(nT) = s(t)u(t) (3.1)
trong đó u(t) là chuỗi xung Dirac
u(t) =




n
)nTt(
(3.2)
Phổ của tín hiệu lấy mẫu là tích chập của S(f) và U(f), do đó:
S
s
(f) = S(f)*U(f) =




n
)

T
n
f(S
T
1
(3.3)










Hình 3.1 – Tín hiệu lấy mẫu và phổ
1/T
0
0
s
t
t
f
f
Tài liệu DAQ Chương 3
Trang 20 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Quá trình lấy mẫu mô tả ở trên là quá trình lấy mẫu lý tưởng. Trong thực tế, do
tín hiệu u(t) là các xung lấy mẫu với chu kỳ T, độ rộng  và biên độ a nên phổ tín hiệu
thực tế sẽ không chỉ là hàm S(f) mà là:

S(f)a


f
)fsin(
(3.4)
(do giá trị lấy mẫu là a



2/nT
2/nT
dt)t(s
)
Tuy nhiên do  << T nên sai lệch không đáng kể.
Tần số lấy mẫu:
Xét tín hiệu sin có tần số f và quá trình lấy mẫu với các chu kỳ lấy mẫu khác
nhau.

Như vậy, ta thấy rằng nếu tần số lấy mẫu càng cao thì dạng của tín hiệu càng có
khả năng khôi phục giống như tín hiệu gốc. Tuy nhiên, nếu tần số càng cao thì cần
phải dùng dung lượng lớn hơn để lưu trữ và đồng thời tốc độ xử lý sẽ chậm lại do cần
xử lý số lượng dữ liệu lớn. Từ đó, ta cần xác định tần số lấy mẫu sao cho có thể khôi
phục lại gần đúng dạng tín hiệu với yêu cầu tốc độ xử lý giới hạn trong mức cho phép.
Định lý lấy mẫu
Định lý lấy mẫu xác định điều kiện để một tập mẫu có thể cho phép khôi phục
lại chính xác tín hiệu trước khi lấy mẫu. Như khảo sát ở trên (hình 3.1), phổ của tín
hiệu lấy mẫu là tín hiệu có chu kỳ trên miền tần số. Để khôi phục lại dạng của tín hiệu,
ta chỉ cần giới hạn phổ tần của tín hiệu. Quá trình này có thể thực hiện bằng một mạch
lọc thông thấp với hàm truyền:
f
s
= 16f
f
s
= 8f
f
s
= 4f
f
s
= 2f
Hình 3.2 – Lấy mẫu tín hiệu với các tần số khác nhau
Tài liệu DAQ Chương 3
Trang 21 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
H(f) =










2
f
f0
2
f
f0
f
1
s
s
s
(3.5)
Hay:
h(t) =
T/t
)T/tsin(


(3.6)
Phổ của tín hiệu sau khi khôi phục là:
S(f) = S
s

(f)H(f) (3.7)
Hay:
s(t) =














 'dt
T/)'tt(
)T/)'tt(sin(
)nT't()'t(s
n

s(t) =





n

)nT/t(
)nT/t(sin
)nT(s
(3.8)
















Như vậy, ta có thể khôi phục lại tín hiệu trước khi lấy mẫu khi phổ tín hiệu sau
khi qua mạch lọc phải giống hệt với phổ tín hiệu gốc. Theo hình 3.3, điều kiện này
thoả mãn khi phổ tín hiệu gốc không chứa thành phần tần số lớn hơn f
s
/2.

f
s
= 1/T
0

0
s
t
t
f
f
f
S
s
H
S
0
h
t
Hình 3.3 - Khôi phục tín hiệu sau khi lấy mẫu
f
s
/2
Tài liệu DAQ Chương 3
Trang 22 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Trong trường hợp ngược lại, phổ của tín hiệu lấy mẫu sẽ bị méo dạng nên khi
sử dụng mạch lọc để khôi phục tín hiệu thì tín hiệu này sẽ khác với tín hiệu gốc, hiện
tượng này gọi lài chồng phổ (aliasing).






Từ đó định lý lấy mẫu phát biểu như sau:

"Một tín hiệu không chứa bất kỳ thành phần tần số nào lớn hơn hay bằng
một giá trị f
m
có thể biểu diễn chính xác bằng tập các giá trị của nó với chu kỳ lấy
mẫu T = 1/2f
m
"
Như vậy, tần số lấy mẫu phải thoả mãn điều kiện f
s
≥ 2f
m
trong đó f
m
là thành
phần tần số lớn nhất có trong tín hiệu. Tần số giới hạn này được gọi là tần số Nyquist
và khoảng (-f
s
/2,f
s
/2) gọi là khoảng Nyquist. Trong thực tế , tín hiệu trước khi lấy mẫu
sẽ bị giới hạn bằng một mạch lọc để tần số tín hiệu nằm trong khoảng Nyquist.
Ví dụ như tín hiệu âm thanh thường nằm trong khoảng (300,3400) Hz nên
người ta sẽ đưa tí hiệu qua mạch lọc thông thấp để loại các thành phần tần số bậc cao
và thực hiện lấy mẫu ở tần số tối thiểu là 6,8 KHz.
1.1.2. Lượng tử hóa
Lượng tử hoá là quá trình xấp xỉ các giá trị của tín hiệu lấy mẫu s(nT) bằng bội
số của một giá trị q (q gọi là bước lượng tử). Nếu q không thay đổi thì quá trình lượng
tử gọi là đồng nhất. Quá trình này thực hiện bằng hàm bậc thang mô tả như sau:

Quá trình lượng tử có thể thực hiện bằng cách định nghĩa giá trị trung tâm của
hàm lượng tử. Ví dụ như trong hình 3.5, các giá trị trong khoảng từ (n – ½)q đến (n +
½)q sẽ được làm tròn là n. Phương pháp này sẽ cực tiểu hóa công suất của tín hiệu lỗi.
f
S
s
Hình 3.4 – Hiện tượng chồng phổ
Hình 3.5 – Hàm lượng tử với bước lượng tử q = 1
-6 -4 -2 0 2 4 6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
s(n)

sq(n)
Tài liệu DAQ Chương 3
Trang 23 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Một phương pháp khác có thể sử dụng là dùng hàm cắt, nghĩa là các giá trị trong
khoảng [nq,(n+1)q) sẽ làm tròn thành n.
















Như vậy, quá trình lượng tử hóa sẽ làm méo dạng tín hiệu và xem như tồn tại
một tín hiệu nhiễu. Sự méo dạng này gọi là méo lượng tử hay còn gọi là nhiễu lượng
tử.
s(n) = s
q
(n) + e(n) (3.9)
Biên độ của tín hiệu nhiễu lượng tử sẽ nằm trong khoảng (-q/2,q/2). Do sai số
lượng tử không biết trước nên việc mô tả sai số lượng tử mang tính thống kê. Tổng
quát, ta có thể xem e(n) là chuỗi các biến ngẫu nhiên trong đó:

- Thống kê của e(n) không thay đổi theo thời gian (nhiễu lượng tử hóa là
quá trình ngẫu nhiên dừng).
- Nhiễu lượng tử e(n) là chuỗi các biến ngẫu nhiên không tương quan.
- Nhiễu lượng tử e(n) không tương quan với tín hiệu ngõ vào s(n).
- Hàm mật độ xác suất của e(n) phân bố đều trên tầm các giá trị của sai
số lượng tử.
Như vậy, nhiễu lượng tử được phân bố đều trên khoảng (-q/2,q/2) và có phương
sai (công suất nhiễu lượng tử) là:

12
q
2
2
e

(3.10)
Tín hiệu được lấy mẫu và lượng tử hóa bao gồm một tập hợp các số và được
lưu trữ ở dạng nhị phân. Đối với số nhị phân N bit sẽ có tối đa 2
N
giá trị khác nhau ứng
Hình 3.6 – Lỗi lượng tử
0 1 2 3 4 5 6
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4

6
8
10
0 1 2 3 4 5 6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Tài liệu DAQ Chương 3
Trang 24 GV: Phạm Hùng Kim Khánh
với 2
N
mức lượng tử khác nhau. Như vậy, phạm vi lượng tử sẽ bị giới hạn trong
khoảng từ q đến 2
N
q, bất kỳ biên độ tín hiệu nào vượt quá giá trị này thì sẽ bị cắt bỏ.
Giả sử tín hiệu mã hóa có biên độ trong khoảng [-A
m
,A
m
]:
A
m

= 2
N
q/2 (3.11)
Từ đó, giả sử công suất tín hiệu là
2
s

thì tỷ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử hóa
(SQNR – Signal to Quantizing Noise Ratio) là:
SQNR [dB] =
2
e
2
s
log10


= 6.02(N-1) + 10.79 - 20
s
m
A
log

(3.12)
1.1.3. Mã hóa
Tín hiệu ở ngõ ra bộ lượng tử hóa được đưa đến bộ mã hóa, bộ mã hóa sẽ gán
một số nhị phân cho mỗi mức lượng tử. Quá trình này gọi là mã hóa.
Có nhiều phương pháp mã hóa khác nhau nhưng trong đa số hệ thống xử lý tín
hiệu số sử dụng phương pháp bù 2. Một ví dụ đối với N = 3 như sau:

Số nhị phân
Giá trị
Số nhị phân
Giá trị
000
0
000
0
001
1/4
001
1/4
010
1/2
010
1/2
011
3/4
011
3/4
111
- 1/4
100
1
110
- 1/2
101
5/4
101
- 3/4

110
3/2
100
-1
111
7/4

Ngoài phương pháp mã hóa tuyến tính như trên (các mức lượng tử có cùng số
bit nhị phân bằng nhau), ta còn sử dụng phương pháp mã hóa phi tuyến. Phương pháp
này sử dụng các bước lượng tử thay đổi theo biên độ tín hiệu.
1.2. Các thông số
Khi thực hiện quá trình ADC, các thông số cần quan tâm của hệ thống:
 Số bit mã hóa
Số bit mã hóa của quá trình AD xác định một mức lượng tử sẽ được mã hóa
thành bao nhiêu bit nhị phân. Nếu số bit mã hóa lớn, độ phân giải của hệ thống sẽ tăng
lên nhưng đòi hỏi dung lượng lưu trữ dữ liệu và thời gian xử lý lớn hơn và ngược lại.
 Độ rộng mã hóa
Là giá trị của ngõ vào tương tự làm cho giá trị mã hóa ở ngõ ra thay đổi. Ví dụ
như bộ ADC có số bit mã hóa 12 với ngõ vào tương tự từ 0 – 10V có độ rộng mã hóa
là 10/2
12
= 2,44 mV. Độ rộng mã hóa còn gọi là bước lượng tử.