Nghiên Cứu Thiết Kế Và Thực Hiện Hệ Thống Thu Nhận Và Xử Lý Dữ Liệu Nhiều Kênh Cho Biến Tử Áp Suất Điện Áp Dùng M68HC11

Đại học công nghệ

Đại học quốc gia Hà
Khoa điện tử viễn thông

KHOá LUậN TốT NGHIệP

Đề Tài : Nghiên cứu thiết kế và thực hiện hệ thống thu nhận
và xử lý dữ liệu nhiều kênh cho biến tử áp suất điện áp dùng
M68HC11.
Giáo viên hớng dẫn : TS Hồ Văn Sung
Trần Ngọc Quý

Sinh Viên thực hiện : Ngô Thế Hải


Lời cảm ơn :
Trong quá trình thực tập và làm khoa luận tốt
nghiệp , tôi được sự hướng dẫn sâu sát , tận tình của thầy giáo
, Tiến sỹ Hồ Văn Sung , anh Trần Ngọc Quý , cùng cán bộ
phòng thực hành bộ môn thông tin vô tuyến đã tạo điều kiện
cho tôi hoàn thành nhiệm vụ thực tập . Nhân dịp này cho php
tôi được bày tỏ lòng biết ơn trân trọng đối với sự giúp đỡ quý
báu đó .
Tôi cũng mong nhận được sự đánh giá , nhận xét và
ghóp ý kiến của Thầy (Cô ) phản biện về bài luận của tôi , để
giúp tôi nâng cao nhận thức của mình hơn nữa về đề tài của
tôi . Tôi xin chân thành cảm ơn .


Chương mở đầu

Sensor thông minh (còn gọi là smart sensor ) có sự quan tâm rất lớn của một số lĩnh
vực như công nghiệp, hệ thống điều khiển … Hầu hết tài liệu về khoa học Sensor trong
cổ điển cho ta kết quả gần giống với dữ liệu thu được ngày nay, đó là thông tin về biên độ
của điện áp hoặc dòng tín hiệu.ở đây ta chỉ nghiên cứu dữ liệu thu được từ Ssensor số và
Sensor gần số. Các Sensor thông minh và vi sensor tăng thật sự nhanh ở trong hiện tượng
cộng hưởng và sự thay đổi máy phát dao động, ở đó những thông tin về biên độ không
được nhớ nhưng tham số tần số và tham số thời gian của tín hiệu ra được nhớ. Như một
quy tắc, phần lớn công bố khoa học có tính chất chuyên môn cao về Sensor thông minh
chỉ phản ánh thành tích của công nghệ vi điện tử. Tuy nhiên những tiến bộ của công nghệ
microsensor đòi hỏi những công nghệ đo tiên tiến mới.
Sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ IC đã thách thức tới công nghệ thiết kế vật lý
của Sensor tích hợp và hệ thống MEMS ( Micro -Electronic -Mechanical -Systems ).
Công nghệ vi hệ thống MTS ( Microsystem Technology ) xuất hiện khi xảy ra sự kết
hợp của phần tử cảm biến (sensing element ), xử lý tín hiệu (signal procesing ) và kích
hoạt tín hiệu (action ) cho phép cả sensor truyền thống và sensor mới có thể thực hiện ở
một dải rộng của ứng dụng và hoạt động trong dải đó.
Thuật ngữ MEMS được được sử dụng theo các cách hiểu khác nhau. Trong một vài
trường hợp nó tương đương với công nghệ vi hệ thống, trong một vài trường hợp khác nó
bao gồm chỉ bề mặt vi cơ khí của sản phẩm .Hệ thống MEMS kể từ sau này như sự mở
rộng tới trong công nghệ IC :" một chíp cung cấp chức năng cảm nhận hay kích thích "
Sự định nghĩa về sensor thông minh được dựa trên cơ sở : " a sensor thông minh như
là một chíp, không có linh kiện ngoài, nó bao gồm có các chức năng sau: Phần tử cảm
biến (sensing), phần giao diện (interfacing), phần xử lý tín hiệu (signal procesing ) và
phần thông minh (tự kiểm tra, tự thích nghi, tự thử ….).
Nhiệm vụ chính của việc thiết kế thiết bị đo, sensor, bộ chuyển đổi luôn có sự hệ
thống đo lường hiệu suất cao. Sự phát triển công nghệ đo lường tại các thời điểm khác
nhau được giải thích ở các cách khác nhau, ở đó là những phương pháp công nghệ bao
gồm việc hoàn thành công nghệ cũng như cấu trúc và phương pháp thuật toán. Về
phương diện lịch sử những phương pháp công nghệ đã được thừa nhận rộng rãi và phổ
biến ở Mỹ, Nhật và Tây Âu. Sự cải tiến của hiệu suất hệ thống đo lường và sự mở rộng

khả năng của các chức năng đang đạt được qua sự mở rộng của của cấu trúc thiết kế trong
hầu hết các trường hợp để tìm ra con đường ứng dụng những tiến bộ của tính toán và xử
lý. Sensor số, sensor cận số và bộ chuyển đổi không loại trừ sự bổ xung này.
Ngày nay hầu hết các tính chất của vật liệu và năng lượng có thể được biến thành
dòng hay điên áp dưới tác dụng của các sensor khác nhau. Hầu hết các các sensor dựa
trên cơ sở sử dụng bộ điều chế biên độ của quá trình xử lý tín hiệu điện từ, chúng gọi là
các sessor tương tự.


Sensor xuất hiện khi mà cần kết quả của phép đo tới lối vào của máy tính. Đầu tiên,
nhiệm vụ của các sensor làm thay đổi âm lượng tương tự thành một mã bởi bộ biến đổi
tương tự ra số (bộ ADC ). Sự chế tạo ra sensor hoàn toàn số và đặc biệt là sensor tần số
đến các sensor khác hứa hẹn nhiều phương hướng mà chúng ta sẽ tìm hiểu ở các phần
sau. Sensor cận số là rời rạc trong lĩnh vực tần số và thời gian với tần số, chu kỳ, khoảng
thời gian, số xung và dịch pha ở lối ra. Ngày nay lối ra của tần số của sensor nhiều nhất
trong số các sensor gần số.
Sự phân ra các loại bộ chuyển đổi tần số ví dụ máy đo gia tốc cảm ứng mà chúng ta
đã biết từ năm trước, ví dụ sự sáng chế nhiệt kế đo nhiệt độ cho khoảng cách xa đã đạt
được năm 1930. Tuy nhiên lối ra tần số của sensor (trước khi bộ chuyển đổi tần số xuất
hiện) đã được đo bằng phương pháp tương tự. Vì vậy không đạt được nhiều kết quả trên
thực tiễn.
Với sự xuất hiện của vi hệ thống sensor ở những năm gần đây và sự phát triển nóng
bỏng của công nghệ vi hệ thống trên toàn thế giới, công nghệ học và đánh giá những yếu
tố có sự tăng thêm lợi ích của sensor số và sensor gần số. Công nghệ hiện đại có khả năng
giải quyết thích hợp những nhiệm vụ phức tạp, có liên quan đến sự tạo thành của các
sensor khác nhau. Tuy nhiên cho đến nay vẫn có những sự cản trở chủ yếu ngăn cản công
nghiệp khai thác rộng lớn của sensor trong hệ thống của chúng.
Có một vài lý do chủ quan sau :
-Sự thiếu nhận thức về tiềm năng của phương pháp hiện đại của bộ biến
đổi tần số -thơì gian ở trong nhiều công ty.

- Xu huớng các công ty trở lại, đầu tiên số lượng tiêu dùng chủ yếu là đầu
tư phát triển ở trong bộ biến đổi tương tự ra số (ADC).
- Sự thiếu vị trí quan trọng trong thương mại và trong các dịch vụ của thị
trường mà công nghệ đo lường có thể đem lại cho công ty …


Chương 1:
Giới thiệu chung về các sensor
1.1 Các loạI sensor :
Sensor là thiết bị biến các đặc trưng vật lý thành tín hiệu điện lối ra.
Theo tín hiệu ra của Sensor và bộ chuyển đổi có thể chia tín hiệu này thành các thành
các loại sau : thế (biên độ), dòng ,tần số , xung thời gian và mã.
Theo tín hiệu lối vào các sensor được chia thành các loai phổ biến như sau :
+)Sensor áp suất : là thiết bị biến áp suất lối vào thành tín hiệu điện lối ra như điện áp ...
+) Sensor quang : là thiết bị biến ánh sáng thành tín hiệu điện lối ra như : tần số…
+) Sensor công suất: là thiét bị biến công suất lối vào thành tín hiệu điện lối ra như là tần
số …
1.2 Nguyên lý các sensor :
Nguyên lý chung của các Sensor là biến đổi tín hiệu (tác động ) lối vào như là : áp
suất , công suất , nhiệt độ , ánh sáng… thành tín hiệu điện ở lối ra như dòng điện , điện
áp , tần số …
Chương này cung cấp cho chúng ta tổng quan các loại sensor , kỹ thuật các sensor
thông minh bao hàm cả sự phân loại Sensor gần số. Sensor số và sensor gần số (tần số
,chu kỳ, khoảng thời gian và số xung lối ra ) được xem xét ở dưới đây .
Quá trình xử lý tín hiệu và biểu diễn của thông tin đi đến từ bên ngoài là nhiệm vụ
chính của hệ thống thu dữ liệu và thiết bị đo trên cở sở các máy tính .Dữ liệu thu được và
điều khiển hệ thông cần có tín hiệu thực vào bên trong máy tính. Các tín hiệu có thể đến
từ một dảI gồm nhiều tín hiệu khác nhau của các bộ chuyển đổi và các sensor.Theo đó dữ
liệu thu được tập hợp lại sự đo tín hiệu điện từ sensor và bộ chuyển đổi và vào trong máy
tính xử lý. Xa hơn nữa việc xử lý còn bao gồm cả tính chất chuyển đổi của các sensor.

Thường , sensor là một thiết bị được thiết kế có ý định thu được thông tin từ đối
tượng cần đo và chuyển thông tin đó thành tín hiệu điện. Một sensor cổ điển có thể chia
thành các phần như mô tả ở hình vẽ 1.1

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)


Hình 1.1 Cấu trúc của một sensor truyền thống .
Trong đó:
(1) là phần tử cảm biến (sensing element).
(2) Là khối chuẩn hoá và xử lý tín hiệu (signal conditioning and processing.)
(3) Bộ biến đổi tương tự -số (A/D).
(4) Giao diện bus của sensor ( Sensor -bus interface ).
(5)Máy tính .
Ta mô tả cấu tạo của sensor truyền thống như sau:
- Phần đầu tiên là khối cảm biến (sesing element) ( trong ví dụ là điện trở ,tụ điện ,
transtor, photodiot …). Tín hiệu được tạo ra từ khối dự đoán cảm ứng khi nó chịu tác
dụng của tạp âm hay sự giao thoa (nhiễu).
- Phần thứ hai là khối chuẩn hoá (signal -conditioning và procssing ) và xử lý tín hiệu
như là khối khuyếch đại , khối lọc ,khối bù, khối tuyến tính…là cần thiết để làm giảm bớt
những đặc tính không lý tưởng của các sensor.
ĐôI khi , phần cả m biến được sử dụng trong một chíp đơn giản , một bộ hợp kênh là cần

thiết. Trong trường hợp này dữ liệu thu được , tín hiệu đến tù các sensor phải được định
dạng thành một dãy nối tiếp hay là dãy song song. Chức năng này có thể được thực hiện
nhờ bộ biến đổi tương tự ra số (ADC) hay bộ chuyển đổi từ tần số ra số.
-Khối cuối cùng là giao diện bus của các sensor.Một hệ thống thu dữ liệu có thể bắt đầu
cấu hình khi sensor đuợc nối với một bộ ghép kênh số .Khi chúng ta sư dụng một số
lượng sensor lớn thì tổng số chiều dài của cáp nối và số kết nối tại bộ ghép kênh có thể
rất lớn.
Sơ đồ khối cúa các sensor thông minh được chỉ ra ở hình ve sau:

Sensing
el ement

Signal
conditioning

Hình 1.2 Cấu trúc c ủa sensor thông minh

µK

Máy
tính


Trong đó µK là một vi điều khiển .
Một vi điều khiển được sử dụng cho xử lý tín hiệu số (trong ví dụ là mạch lọc số ) ,
biến đổi tương tự ra số ,hay chuyển tần số ra mã , chức năng tính toán và giao diẹn.Vi
điển khiển có tư
hể kết hợp với giao diện mạch chuẩn .Rất nhiều vi điển khiển bao gồm hai dây , nó được
làm phù hợp cho truỳen thông khoảng cách ngắn ( vài mét hoặc dùng giao diện RS232/485 có thẻ dùng cho truyền thông khoảng cách dài hơn).
Sự khác nhau về bản chất của sensor thông minh với sennor tích hợp là với

sensor thông minh có mạch nhớ kết quả tín hiệu xử lý, nó có khả năng thông minh như
nhả năng phán đoán ,tự thực hiện ,tự thích nghi (tạo ra quyết định ).Theo thường lệ ,chức
năng thực hiện đầy đủ (sự bổ xung ) phải được xây dụng trong cá vi điều khiển. Những
chức năng và điện thế nhỏ trong hoạt động là những ưu điểm chính của sensor thông
minh. Sensor thông minh thể hiện tính thích nghi trong xử lý đo lường có thể đạt được
chính xác cao ,cũng như tốc độ và công suất tiêu thụ. Đôi khi 'sensor thông minh được
gọi là " bộ chuyển đổi thông minh " .
Hiên tại ,có rất nhiều loại sensor sẵn có có thể dùng được . Sự tiến bộ nhanh
chóng của công nghệ xử lý tín hiệu chuẩn cho thiết kế VLSI , sự chế tạo đã cung cấp
công nghệ cơ bản cho sensor thông minh và mở ra nhiều cách có thể dẫn tới làm phù hợp
những yêu cầu của khách hàng được tích hợp trong sensor ở các khía cạnh về hiệu suất
,kích thước và giá cả .Những gợi ý làm nhẵn của sensor kết hợp với điện tử , công nghệ
chế tạo hoàn thành hệ thống thu dữ liệu trong một chíp silíc. Điều quang trọng của sản
phẩm là chế tạo tính tương thích của sensor ,sensor tương tự liên hệ với mạch vi điện tử
và giao diện mạch số .Trên thực tế , phần dự đoán cảm ứng bằng silíc và mạch đọc tín
hiẹu thực , một quá trình có thể phát triển để kết hợp chúng trong một chíp. Tuy nhỉên sự
phát triển cho quá trình sử lý đòi hỏi rất đắt và theo đó nó chỉ tạo ra ở một độ lớn nhất
định nào đó .Quá trình sử lý tín hiệu của sensor tích hợp thành công phải có sự thừa nhận
của sự phức tạp hoặc có thể áp dụng cho một giải tần của sensor .Công nghệ MEMS cho
phếp kích thước của sensor nhỏ , tại một thời điểm sự tích hợp của các với chức năng vi
mạch điện tử ở trong không gian nhỏ .Tuy nhiên công nghệ MEMS tao ra khối lượng
sensor với giá cả tăng trong khi cải tiến chức năng và kích thứơc của chúng là tối thiểu .
Tất nhiên sự bổ xung của vi điều khiển trong một chíp cùng với phần tử dự
đoán và mạch điều lệnh tín hiệu (signal conditiong circuit ) là tao nhã và là giả pháp năng
lượng được ưa thích .Tuy nhiên sự tích hợp lại cùng với sự tiến bộ của quá trình sử lý tín
hiệu và phương thức biến đổi ở trong nhiều trường hợp đạt được kỹ thuật hiện đại và hiệu
suất đo lường cho chu kỳ từ thời gian đến thị trường ngắn hơn không phải tăng thêm phí
tổn cho công cụ thiết kế máy tính giúp đỡ và quá trình thiết kế sensor thông minh dài
dòng .Trong sự bổ xung của sensor thông minh với quá trình xử lý tín hiệu tích hợp lai,
phần cứng nhỏ là điều kiện cần thiết để đạt được sự hợp của giá cả và độ tin cậy

cao.Trong trường hợp này chúng ta gọi là "sensor thông minh lai ", ở đó phần tử cảm
biến và phần mạch địện tử đặt trong cùng một chỗ.
Sensor ở lĩnh vực tần số -thời gian được làm từ một công nghệ và sự chế tạo
thích nghi : Sự đơn giản hoá của phần mạch chuẩn hoá tín hiệu (signal conditioning
curcuit ) và bộ biến đổi số liệu thu được thành mã , cũng như hoạt động của hệ thông đo
lường và phần cứng cho sự hoạt động .Các sensor cơ bản dựa trên hiện tượng cộng hưởng


và sự thay đổi của máy phát dao động , thông tin của máy phát dao động không được nhớ
về biên độ nhưng nhớ thông số tần số hay thông số thời gian của tín hiệu ra.
Các sensor có tần số là fx , chu kỳ là Tx=1/fx ,độ rộng xung là tp ,khoảng không gian
là ts , chu trình thực hiện là tp/tx ,hệ số truyền trực tiếp là Tx/tp , số xung là N , dịch pha
là ( hoặc khoảng thời gian của tín hiệu ra là ( ,Cac thông tin về các tham số đựoc chỉ ra ở
hình vẽ sau :
Tx=1/fx

……

ts

φ

tp

…….

Hình vẽ 1.3:Các tham số của sensor ở trong lĩnh vực tần số -thời gian .

Trong tất cả các loại sensor xét theo phương diện lối ra , thì lối ra tần số chiếm lượng
tương đối nhiều trong nhóm sensor gần số thông minh. Sau đây ta xem xét các ưu điểm

của sensor
Có 6 ưu điểm chính sau:
.
1.Kháng nhiễu cao :
-Có thể truyền với tốc độ chính xác cao hơn so với sensor tương tự và số, và thích hợp
cho phương pháp điều chế tần số.
-Tín hiệu tần số có thể truyền với khoảng cách xa hơn.
-Tín hiệu tần số có thể truyền qua cổng nối tiếp số, nên nó bao gồm cả ưu điểm của tín
hiệu số.
-Hơn nữa nó chỉ cần hai đường tín hiệu khi truyền, so với tín hiệu số nó có ưu điểm là
không cần tín hiệu đồng bộ.
2. Công suất tín hiệu cao .


Công suất tín hiệu ở lổi ra sensor tần số phụ thuộc vào công suất nguồn phát dao động,
nên ta có thể tăng công suất tín hiệu lối ra nhờ tăng công suất máy phát tín hiệu.
3. Vùng hoạt động lớn :
Bởi vì tín hiệu trong miền tấn số nên nó không giới hạn bởi nguồn cung cấp và nhiễu. Dải
hoạt động của nó có thể đạt tới 100dB một cách dễ dàng.
4.Tần số chuẩn có độ chính xác cao .
Tần số chuẩn, ví như một bộ thạch anh, là ổn định hơn một bộ chuẩn nguồn.
5. Giao diện truyền thông thực hiện đơn giản .
6. Dễ dàng hợp kênh số và mã hoá .
1.3 .IC áp suất và sensor thông minh
1.3.1 Sensor áp suất/điện áp : là thiết bị biến đổi áp suất (tác đông bên ngoài) thành tín
hiệu địên là điện áp.
Có rất nhiều sỏ đồ cấu trúc Sensor áp suất /điện áp , ở đây ta xét một sỏ đồ điển .
Hình vẽ . Cấu truc điển hình của sensor áp suất điện áp
1.3.2 Sensor áp suất thông minh :
Giống như các biến tử khác ,biến tử áp suất rât là phổ bíến. ở Châu Âu , thực sự biến

tử áp suất được thiết kế vào năm 1968 bởi Gieles tạI Philips Reseach Laboatries và được
lần đầu tiên biến tử áp suất tích hợp với lối ra số được thiết kế như lối ra số là tần số .và
được kiểm tra năm 1971 tại Case Westerrn Reserve University . Màng ngan nhỏ bằng
silic với trở cầu nối tạI trung tâm của màng ngăn và được kín khít tới chân hợp kim
vàng-thiếc rất mỏng ,đã được phát triển trong y học như cấy dưới ra ,mô cấy ,ống phóng
xạ để chữa ung thư … và trong các chương trình ứng dụng.
Sensor áp suất biến đổi áp suất từ bên ngoài thành tín hiệu đIện áp lối ra .Để đạt mục
đích này ,sensor bán dẫn sử dụng sự khuyếch tán đá -silíc đo điện trở khác nhau.Yếu tố
trở thiết lập cảm ứng tập trung trên màng silíc mỏng, áp suất cung cấp từ màng mỏng
silíc là nguyên nhân khúc xạ và sức căng lưới tinh thể thay đổi , điều này ảnh hưởng tới
tính chuyển động .Kết quả làm thay đổi điện trở hay máy đo trở. Mức độ dày đặc của
màng mỏng như hình đáng của con trở , nó được quyết định bởi dải đo của áp suất .
Sự tiến bộ của bộ chuyển đổi áp suất /điện áp có nhưng ưu điểm sau :
-Độ nhạy cao .
-Tính tuyến tính tốt.
-Hiện tượng trễ nhỏ .
-Thời gian đáp ứng nhỏ .
Tham số ra của bộ đo trở phổ biến phụ thuộc vào nhiệt độ và đòi hỏi thiết bị bù nếu nếu
nó được sử dụng cho dải nhiệt độ rộng hơn. Tuy nhiên với sự cố của của biến tử thông
minh và MEMS nhiệt độ sai có thể được bù nếu sử dụng sensor nhiệt độ cài sẵn .


Hầu hết các bộ chuyển đổi áp suất MEMS tự động ngày nay đươc tạo ra cho thị trường
bao gồm 4 cấu nồI trổ Wheatstone được chế tạo trong khuôn đá đơn sử dụng phần lớn
công nghệ khắc axít .Yếu tố đo trở được tích hợp cố định trong sensor và được xác định
vị trí theo chiều dài chu vi màng áp suất hợp lý tạI điểm thích hợp của sức căng số đo.
Thiết kế bây giờ có thể chọn hai kiểu kiến trúc sensor : sensor xử lý tín hiệu số và
sensor xử lý tín hiệu tương tự. Kiểu sensor số được đặc trưng bởi bù số hoàn toàn lỗi theo
xắp xếp của hệ thống ,và dáng hình học rất tốt tín hiệu được pha trộn theo công nghệ
CMOS IC có thể hợp nhất xử lý số tinh vi (DSP) bên trong sensor bù IC .Công nhệ DSP

được thiết kế đặc biệt từ việc tính toán bù , cho phép lối ra sensor có tính chính xác như
vốn có của bộ chuyển đổi áp suất /đIện áp .
Như đã xem xét , quá trình xử lý trong CMOS và vi điều khiển , công nghệ DSP trở
lên tiến bộ hơn nữa và độ tích hợp cao , dần trở thành phổ biến. Những cuộc tranh cãi tiếp
tục như vào vùng chíp và ở đầu trên của thiết kế vi xử lý chuẩn … được sử dụng cho mục
đích cạnh tranh với sự mềm dẻo và linh hoạt (nhưng khích thước nhỏ hơn và giá cả thấp
hơn )của sự thiết kế DSP có thẻ làm theo yêu cầu của khách hàng , tiến tới thưch hiện
những chức năng đặc biêt của sensor .
Sensor áp suất tich hợp của hãng Motorola (sensor áp suất Monolithic) sử dụng mộ vi
sử lý tín hiệu số tuỳ chỉnh và bộ nhớ cố định theo sự điều chỉnh và sự bù nhiệt một phần
của sensor áp suất cho độ rộng của những ứng dụng tự động .
Sự hoạt động của nhưng linh kiện điều lệnh (signal -conditiong ) có thể lập trình đuợc ở
trong lĩnh vưc số sử dụng thuật toán điều chỉnh bậc cao ở xa .Sensor Monolithic cung
cấp để làm tăng những tính năng tiêu biểu bổ xung trong một chip (hoặc không gì cả ) với
giảI pháp điều lệnh tín hiệu tương tự truyền thống ở đó sử dung laser hay sự sắp xếp gọn
gàng đIửn tử .Một cách riêng biệt sự phát triển giao diện truyền thông số cho phép điềuu
chỉnh các modul sensor riêng lẻ sau khi các modul đã được lắp giáp và kết vỏ đầy đủ .
Quá trình sử lý post-trim đuợc khử (rút ra ) và sự chế tạo , các modul theo yêu cầu của
khách hàng có thể đựơc thực hiện như một phần sụ tích phân của kiểm sự kết thúc được
kiểm tra của luồng sản suất .IC bao gồm một sensor áp suất ở đó đồng sử lý trong một
kính hiển vi, báo hiệu , sự chế tạo CMOS rất mỏng pha -trộn từng bước và có thể co dãn
tới một trạng thái khác nhau của các ứng dụng cảm ứng áp suất tự động.
Bây giờ cho phép chúng ta một vài trạng thái của tàikhéo léo và dùng làm mẫu trong
công nghiệp của sensor áp suất và bộ chuển đổi hiện đại. Sự chú ý chủ yếu đã đem lại
cho sự tạo thành sensor áp suất với tần số lối ra :
+)Đầu tiên chúng có thể làm nền tảng của sư dụng của bộ biến đổi điên áp ra tần số
VFC( và có độ chính xác trên một phần trăm 1% cho hiệu quả ở dải tần sốtừ 0 -2 khz ở
trong dải địện áp từ 0 -40Mpa.
+) Thứ hai , đã được xây dựng trong sử dung của cái đo cộng hưởng ( cái cộng hưởng
là dụng cụ để tạo ra sự cộng hưởng ). Sự kết nối của các thiết bị đo tới bộ tự dao động

mạch máy thu là tín hiệu tần số tỷ lệ với sự tác dụng .Mối quan hệ gưĩa áp suất đo P và
tín hiệu tần số lối ra f được biểu diễn rõ ràng qua biểu thức sau :


P=(f- fo) /Kp
Với Kp=KF.Seff
Trong đó :
-f là tần số đo đuợc .
KF là hệ số hội tụ cảm ứng.
Kp là hệ số biến đổi của áp suất ra tần số.
Fo là tần số tạI f=0.
Seff là vùng ảnh hưởng của màng.
Sensor áp suất Silíc dựa căn bản trên cơ sở phần lớn trên công nghệ vi cơ khí và VFC
dựa trên cơ sở công nghệ CMOS .Nó có dải áp suât đo được là từ 0 - 40 Kpa , dải tần số
lối ra la 280 -380 KHZ và sai số chủ yếu khoảng +- 0,7 (.
Công ty Kulite tạo ra bộ chuyển đổi áp suất tần số lối ra ETF-1-1000., sensor cung cấp
một tín hiệu ra có thể giao tiếp trực tiếp tới một lối ra số.Bộ chuyển đổi sử dụngmột yếu
tố bán dẫn đo tính trở với những ưu việt sau: độ tin cậy ,sự lặp lạI,đọ chính xác , giảI áp
suất là 1,7 -350 par , tần số lối ra 5-20 Khz , tổng số lỗi dải băng là +- 0,2( Một ví dụ
khác là bộ chuyển đổi áp suất VT 1202/1202 từ Chezra (Ukraine ) với dải tần số ra từ 1522Khz và lỗi chuẩn+- 0,25( và độ phù hợp +- 0,15( .
Geophysical Research Corporation đã công bố bộ chuyển đổi áp suất Amerada Quat .
Sự làm việc của bộ chuyển đổi này như sensor thạch anh kết tinh đáp lại sức ép tạo ra
bởi áp suất . Sự tương ứng này xuất phát từ sự dịch chuyển tần số tương ứng tạo bởi
nguyền cung cấp áp suất . Sự phụ thuộc vào áp suất của sensor ở mức độ nhỏ là không
tuyến tính nhưng rõ ràng trong khi sự kiểm tra cỡ trước khi chia độ (ống đo nhiệt ) là
chính xác bởi việc sử dụng hàm đa thức bậc ba . Trong phép bổ sung , thạch anh kết tinh
cho là hoàn toàn đàn hồi hoàn hảo mà đóng ghóp vào sự lặp lai xuất sắc là đặc trưng của
công nghệ .Hai phép cộng Sensor được sử dụng ,thư nhất là đo nhiệt độ , thứ hai như là
tham chiếu tín hiệu ổn định . Phép đo nhiệt độ được sử dụng cho sự bù nhiệt của áp suất
tinh thể trong khi tín hiệu tham chiếu được sử dung như căn cứ điều chỉnh cố định của

bộ đếm tần số . Dải áp suất là 10000 psia , độ chính xác là +- 0,02 (FS .
Độ chính xác cao (khoảng 0,01() của bộ chuyển đổi áp suất quang đã được phát triển
bởi ALTHEN GmbH bằng việc cung cấp công nghệ quang dựa trên nền tảng bộ cộng
hưởng sensor.
Xa hơn sự phát triển của công nghệ vi điện tử và sensor thông minh có sự tăng lên của
độ chính xác cao ( khoảng 0,01 () lối ra số của sensor áp suất và bộ chuyển đổi .


Chương 2:
Phương thức thu dữ liệu của hệ thống sensor
nhiều kênh
2.1 GiớI thiệu chung :
Kỹ thuật và quá trình sản xuất là nguồn gốc ban đầu của dữ liệu cho hệ thống sensor
nhiều kênh .Dữ liệu thu được bởi sự đIũu khiển như quá trình xử lý ngẫu nhiên của sự
biến đổi tham số .
Hệ thống thu dữ liệu nhièu kênh có ý định cho sự biến đổi của tham số ban đầu của quá
trình xử lý và kết quả (tín hiệu lối ra từ một hay một vàI sensor hay bộ chuyển đổi ) thành
tín hiệu số tương đương .Sự thích hợp cho quá trnhf sử lý xa hơn , sự chuyển đổi và lối
vào bên trong trung tâm máy tính mà nó mà nó đIũu khiển kênh thu dữ liệu và dạng dữ
liệu ở trên màn hình
Phương thức thu được dữ liệu phụ thuộc vào nhiệm vụ tìm ra lời giảI của sự đIũu
kkhiển và sự đo đạc , sự tác dụng trực tiếp của bộ chuyển đổi và chức năng của hệ thống
thu dữ liệu .
Một hệ đo đạc và đIũu khiển hệ thống sensor có thể đặt ở nhiều cách khác nhau.Mọt
trung tâm máy tính được lối với một nối vào của sensor và lối ra thiết bị phát dao động.ở
trong hệ thống ,nhiều sensor trong lĩnh vực tần số-thời gian cảm biến thông tin qua quá
trình sử lý liên quan đến sự đo đạc.
Có hai phương thức thu dữ liệu truyền thống đã được sử dụng rộng rãI trong hệ thống
đIũu khiển và đo đạc hiện đạI , đó là :
+) phương thức phân kênh theo thời gian, dựa trên cỏ sở bộ ghép kênh

sensor .
+)phương thức sử dụng phân kênh theo không gian ,dựa trên cỏ sở thu được dữ
liệu đồng thời từ tất cả sensor.
2.2> phương thức thu dữ liệu vợi sự phân kênh theo thời gian :
Hầu hết tần số được sủ dung cho cấu hình hệ thống thu dữ liệu với hệ thống phân
kênh theo thời gian được chỉ ra ở hình sau:
ở trong trường hợp này ,lối ra tần số của các sensor là f1,f2,…fn được tới bộ biến đổi tần
số sang mã F/# với sự trợ giúp của sự hơp kênh (MX) , bộ hợp kênh số được điều khiển
bởi vi điều khiển (k .Sự biến đổi tần số sang mã đã biến đổi tần số fx thành mã nhị phân ,
ví dụ như phương thức đếm trực tiếp chu kỳ Tx=1/fx trong khoảng gian lượng tử Tq hoặc
theo phương thức đếm gián tiếp số xung của tần số tham chiếu cao fo trong mộtchu kỳ
Tx hay n chu kỳ nTx.ở trong hệ thống thu dũ liệu hiện đạI cho các sesor lối ra là tần số ,
bộ biến đổi tần số thành mã có thể thực hiện trực tiếp bởi vi điều khiển mà không phảI
thêm phần cứng .


Sau khi biến đổi từ tần số sang mã ,, mã nhị phân qua vi điều khiển và thành một dãy
dữ liệu .Nó cần thiết , quá trình xử lý tín hiệu có thể cộng thêm như : Sự tuyến tính , sự
hợp nhất … có thể thực hiện được trong vi điều khiển hoặc DSP. Dữ liệu thu được tới
máy tính ( qua hệ thống BUS ,cổng ghép nối I/O , hay sự trợ giúp của bộ nhớ truy cập
(DMA)) cho quá trình sử lý , hiển thị hay đẻ đIũu khiển hệ thống .
Sensor có thể đươc hỏi tuần hoàn đồng bộ như là phần mềm điều khiển đồng bộ -vi
điều khiển sẽ chọn các sensor cần thiết tuỳ thuộc vào từng công việc .ở trong hệ thống
thu của dữ liệu với bộ biến đổi tần số tại chu kỳ tuần hoàn với thời gian không đổi ở
trong chu kỳ thời gian hỏi vòng (o có thể tính toán được theo biểu thức cho phep sau :
τo= n(Tq +τ1 +τ2)
Trong đó :
-Tq là thời gian lượng tử háo trong bộ biến đổi tàn sang mã.
-τ1 là thời gian trễ giữa sự kết thúc của bộ biến đổi trước sensor và lệnh tới hỏi sensor
tiếp theo .

τ2 là thời gian trễ của bộ biến đổi tần số bắt đầu sau khi mà sensor được kết nối .
-n là số sensor của hệ thống thu dữ liệu nhiều kênh .
Các giá trị khỏng thời gian và độ trễ đuợc quyết định bởi phuơng thức đo các thông tin
của tham số và thiết bị điện tử sử dụng .Tại một thời điểm giá trị của cac tham số Tq
,(delay1, (delay2 và chu kỳ vòng thời gian (o có thể thay đổi bởi sự thay đổi của giá trị n .

Sensor 1
sensor 2

µK
M
U
X

F/#
PC B US
hoặc cổng

……

sensor N

DQA board

Hình 3.1 Hệ thồng thu dữ liệu sự phân kênh theo thời gian
Trong đó hệ gồm có N Sensor , bộ hợp kênh MUX và vi điều khiển µK
Thiết bị nhiều kênh cho sự thu dữ liệu dụă trên cơ sở phương thức hỏi vòng nhanh trong
một chu kỳ ra của sensor được chỉ ra ở hình vẽ sau :
DQ
C

R

1 CD
2
n


DQ
C
R
…..
DQ
C
R

S Q
R

S Q
R

S Q
R

)
)

Hình vẽ 3.2 hệ thống thu dữ liệu dụă trên cở sở hỏi vòng nhanh trong một chu kỳ.
Thiết bị này bao gồm một vài triger R-S (theo số kênh của hệ thống ) ,với nhiều cổng
AND cho phép làm việc đơn giản với một công tắc tần số ,và một bộ mã hoá CD cho boọ

biến đổi của vị trí xung lối vào thành mã nhị phân của kênh lối ra.
Một phương thức đơn giản cho sự hỏi vòng của sensor đã được sủ dụng trong thiết kế
bộ chọn tần số nhiều kênh số .Tính năng của bộ chon tần số giảm dần theo tần số hỏi của
kênh và lớn nhất tần số lối vào mà nó cho phép tái tạo lỗi thuộc động lực học của sự đo
đạc trong kênh này gây ra .
Phương thức thu dữ liệu gốc của sự biến đổi tần số sang mã nhiều kênh có thể tái tạo
lại thông tin mất trong hệ thống thu dữ liệu nhiều kênh bằng cách phân chia thời gian hỏi
vòng của tần số lối ra của sensor .Phương thức này bao gồm một bộ chọn kênh sso với
với số xung gần nhất ở trong pha của bộ biến đổi tần số , bộ chia số kênh có thể thực hiện
bằng bộ đếm , sự lưu trữ kênh trong bộ nhớ, sự kết nối của kênh chọn với lối vào bộ đếm
và bộ biến đổi tần số sang mã .
3.3 Phương thức thu dư liệu bằng phân kênh theo không gian
Hầu hết các tần số sủ dụng cho cấu hình hệ thống thu dữ liệu với ph ương thức phân
kênh theo không gian được trình bày như hình vẽ :
Hình 3.3


f1

x1

N1

F/#1

MP

F/#2
x2

f2

N2

PC bus
PC BUS
Hay
cổng

……
.
xn

fn

Nn
F/#n

ở trong hệ thống này gồm có n bộ biiến đổi tần sang mã (theo số kênh ), n-kênh hép và
một hệ thống xử lý với n lối vào được sử dụng .Vi sử lý thực hiện việc đo đạc một vài tần
số đồng thời , có một kênh độc lập cho bộ biến đổi tần số sang mã .Vi xử lý bắt đầu đòng
thời ở tất cả các bộ biến đổi (do phần mềm dồng bộ đIũu khiển ) , và kết thúc quá ttrình
sử lý đọc va đưa ra kết quả .
Tuy nhiên ,sự tiến bộ quan trọng của là sự táI tạo lạI đựoc thông tin đã mất của phép
đo, nó có thể thực hiện được bằng việc cộng thêm phần cứng và giá cả.Tất cả sự hạn chế
số kênh trong hệ thống thu dữ liệu hoặc cần thiết có thể phân chia một số phần của bộ
biến đổi , mà nó có thể lệnh cho toàn bộ bộ biến đổi tần số sang mã .
Một trong những giải pháp được sử dụng là một thiết bị biến đổi tần số nhiều kênh với ,
đồng thời với phần cứng thu nhỏ và quá trình dô tần số của các sensor là song song ., vì
thế đọ chính xác tăng lên mà không phảI tăng thời gian đo ,sơ đò mạch của thiết bị biến

đổi tần số đồng thời cho các tần số f1, f2,…fn được chỉ ra trên hình vẽ sau :

µK

Thanh ghi

fo
CT


f1
Sensor1

f2

SW1

bộ đệm thanh ghi

Sensor 2

SW2

bộ đệm thanh ghi

Sensor n

SW3

bộ đệm thanh ghi

fn

Hình vẽ .3.4 thiết bị biến đổi nhiềut ần số nhiều kênh đồng thờI
Trong đó : SW1, SW2 ,… SWn là các chuyển mạch .
Mỗi một kênh bao gồm một bộ chia tần số ,một công tắc và một thanh ghi đệm.Bộ đém của tần số tham chiếu
fo và thanh ghi lệnh chotất cả kênh đo.
Tần số đã được biến đổi có thể đuợc tính theo biểu thức sau :
f1= N1.K1.fo/(No.Ko-n1+n2)

ở đây :
fo là tần số tham chiếu
f1 là tần số lối vào
N1 là dung lượng bộ chia
No là dung lượng bộ đếm tấn số tham chiếu.
K1 là số tràn của bộ chia
Ko là số tràn của bộ đếm tần số tham chiếu
-n1 là số được ghi vào bộ đếm tần số tham chiếu tạI luc bắt đầu chu kỳ đo
-n2 là số được ghi vào bbọ đếm tần số tham chiếu tạI lúc kết thúc chu kỳ đo
3.4 Cầu trúc sensor thông minh và hệ thồng thu dữ liệu :
Phụ thuộc vào cấu trúc các sensor , sơ đồ cấu ttrúc của hệ thu dữ liệu có các cách có thể
khác nhau ,sau đây chúng ta chỉ ra một số sơ đồ cụ thể dưới đây .
-Cấu trúc sensor thông được chỉ ra như sau lốI ra tương tự chủa sensor S là lốI vào đầu
tiên của bộ khuyếch đạI và được hiệu chỉnh giá trị offset và độ tuyến tính ,sau đó qua bộ
biến đôit thế sang tần số .Qua đó tín hiệu trong lĩnh vực tần số -thờI gian được biến đổI
thành mã .Dạng tín hiệu của bộ biến đổI thế thành mã được truyền tớI BUS hệ thống và
BUS điều khiển .

S

Ampllfer

V/F

F/#

Máy tính


Sensor thông
minh

Correction

Hình 3.5 :Cầu trúc của sensor thông minh vơisự hiệu chỉnh trong lĩnh
xa hơn có thể biến thành tín hiệu lĩnh vực tần số -thờI gian.
- Cầu trúc của hệ gốm nhiều sensor .
S1

S2
Sn

vực tương tự và

(1)
M
(2)

Máy
tính

F/#

U
X
Sensor
thông
minh

(n)

hình 3.6: Cầu trúc nhiều sensor thông minh
Trong đó :
S1, S2,… Sn là các sensor lốI vào .
(1), (2),… (n) Là các bộ chuẩn hoá tín hiệu.
MUX là bộ hợp kênh.
F/# là bộ biến đổI tần thành mã .
Bộ hợp kênh dùng để hợp tầt cả các tín hiệu sau khi đi qua phần cảm biến thành một tín
hiệu , sau đó qua bộ biến đổI tần số thành mã , và tạI ở đây tín hiệu truyền tớI các BUS
-Cấu trúc đơn giản đó là hệ thốnh một kênh , sensor được lốI qua bộ bộ chuyển đổI tần
thành mã và tớI vi điều khiển , có cấu truc như sau .

sensor
Sensor thông minh

chuẩn hoá tín
hiệu

Máy tính
F/#

µK


Chương 3
phương pháp biến đổi tần số thành mã
3.1 GiớI thiệu chung :
Một trong những quan tâm chính trong lĩnh vực tần số-thờigian của sensor thông
minh là bộ biến đổi tần số(chu kỳ) thành mã.Bộ bién đổi này ảnh hưởng trực tiếp tới tính
chất của hệ thống đo lường , như là độ chính xác , sụ thay đổi của thời gian cung như sự
tiêu thụ công suất.Mặc dù việc tần số có thể được biến đổi thành dạng mã số chính
xáchơn ở trong sự so sánh với thông tham số khác của tín hiệu ,trong thực tiễn nó không
nhiệm vụ không tầm thường .NgoàI ra rất nhiều khác hàng và người sản xuất sensor
không thành thạo trong lĩnh vực tần số -thời gian.Để xem xét cẩn thận phương thức biến
đổi rời rạc của bộ biến đổi tần sang mã phổ biến nhất và đem lạI cho chúng ta phép phân
tích của hiệu suất đo lường , sự biến đổi dảI tần , sự cần thiết cho hoạt động với mục tiêu
chọn phương thức biến đổi tốt nhất.
Sự hình thành và phát triển của những triển vọng bắt đầu sau khi công bố năm 1947 về sự
sáng chế trong đIửn tử ADC với thời gian trễ nhỏ đã được đưa ra bởi Filipov và
Nêgnlized năm 1941.Đây là bpọ biến đổi dụă trên cơ sở phương thức đếm rời rạc xung
chuẩn hoá của tần số tham chiếu (Patent 68785 ,USSR).
3.2 Các phương pháp biến đổI tần số thành mã :
Ngày nay , có rất nhiều sáng chế về các bộ biến đổi khác nhau và phương thức đo của
tham số tần số-thời gian của tín hiệu điện tử.
Tất nhiên , trong các lĩnh vực khác nhau không thể giới hạn các phương pháp biến đổi
tần sồ thành mã.
Sau đây là một số phương pháp biến đổi chủ yếu nhất :
(1)Phương pháp đếm trực tiếp - đo tần số
(2) Phương pháp đếm gián tiếp -đo chu kỳa
(3)Phương pháp đếm kết hợp.

(4)Phương pháp biến đổi Fỏuiẻ rời rạc -DFT
(5)Phương pháp biến đổi độ dịch pha thành mã
Chọn công nghệ biến đổi nào là phụ thuộc vào sự phân giải mong muốn và tốc độ dữ liệu
thu được .
+)Với hệ thống cần tốc độ dữ liệu thu được lớn thì ta dùng công nghệ đo chu kỳ (ký
thuật đếm gián tiếp ) có thể được sử dụng .
+)Với độ phân giảI và độ chính xác cao phảI sử dụng kỹ thuật đo tần số ( đo tần số
trực tiếp) , kỹ thuật tích hợp


Sự so sánh đơn giản của phương thức đém trực tiếp cũng như phương thức đếm gián
tiếp với các phương pháp khác là hiệu suất cao và tính chất chung có đóng ghóp vào sự
phổ biến của chúng .Chúng trở nên cơ bản ,truyền thống.
DSP dưạ trên cơ sở sự biến đổi tần số thành mã của một tín hiệu hàI hoà
trong cơ sở phân tích phổ rời rạc đã được phát triển cho
những tiến bộ của vi điện tử .Ngày nay, ứng dụng của chúng là đủ kinh tế ,xa hơn chíp vi
đIũu khiển DSP rẻ hơn được sử dụng trong sensor thông minh.
Sự phát triển xa hơn của công nghệ vi điện tử ,vi hệ thống sensor thông
minh và sự tiến bộ mới của phương thức chuyển đổi tần số thành mã như sau:
+)Độ chính xác tăng , tốc độ và phương thức đo tin tưởng tuyệt
đối .
+)sự mở rộng chức năng và dảI tần biến đổi.
+)Tự động hoàn thành sự đo đạc ,đIũu khiển ,quá trình xử lý
số,
tự thích nghi ,tự chuẩn đoán.
+)Mạch đơn giản hay chíp nhỏ
+) Giá cả giảm , kích thước, công suất tiêu thụ.
3.3 Phương pháp biến đổI tần số thành mã dùng phép biến đổI Fourier rờI rạc:
Sau đây ta xét phương thức bộ chuyển đổi tần số sang mã dụă trên cơ sở biến đổi
Fourier rời rạc.

Mặc dù hầu hết các phương thức của bộ chuyển đổi tần thành mã không liên quan đến
phương pháp biến đổi rời rạc ,nhưng DSP duă trên cơ sở phân tích phổ rời rạc, nó ứng
dụng ngày nay là mang lạI kinh tế .Xa hơn nũă vi đIũu khiển DSP có thể sử dụng được
trong sensor thông minh.
Sơ đồ khối của thiết bị sử dụng trong phương thức này được chỉ ra trên hình sau:

fx

DSP
ADC1

DFT1

SC
Max1·

ALU
Nx
ADC2

DFT2

SC
Max2

Các thiết bị bao gồm hai bộ biến đổi tương tự -số(ADC) , hai khối biến đổi Fourier rời
rạc (DFT) , hai khoíi cho việc tìm ssố linh kiện quang phổ lớn nhất Scmax và khối tính
toán logic (Alu) cho việctính toán của chuyển đổi tần số .
Phương thức này có thể thực hiện thành công ở trong vi điều khiển DSP , bao gồm hai bộ
ADC hay một bộ ADC với nhiều kênh lối vào , ví dụ như TMS320c24x .

Vi đIều khiển DSP gồm hai bộ ADC 10bít và ngoài ra nó còn được thiết lập các thiết bị
ngoạI vi có hữu ích ở trong sensor như : thiết bị bấm giờ ,bộ điều chế độ rộng xung
PWM và hộp chứa các modul…
Phương pháp biến đổi tần số -mã dụă theo biến đôir Fourier rời rạc với lối vào số hoá
hàon toàn bởi kỹ thuật vẽ tạI N-1 và N đIúm .yếu tố quyết định đến số linh kiện phân tích
phổ lớn nhất vơI sự guíp đỡ của biến đoỏi Fourier rời rạc và tính toán sử dụng bộ biến đổi
tần số.
Các thiết bị cho phep làm việc :một tín hiệu nối vào được nhận diện (miêu tả ) ở trong bộ
biến đổi ADC và theo đó ta thu đươc là các số rời rạc N và N-1 . Các số rời rạc này được
đuă vào hai khối DFT1 và DFT2 , sau đó đuợc tính toán bởi biến đổi Fourier , phổ rời rạc
được tạo ra .Số linh kiện phổ lớn nhất được quyết định ở trong khối SCmax1 và Scmax2
.Rồi cuối cung khối ALU tính toán tần số .
Biểu thức xác định tần số trong mỗi thiết bị phổ có thể cho như sau:
fx=(K1 +a1 ).∆f và fx =K2 +a2(N-1) . ∆f (1)
Qua đó liên hệ vớI tần sồ F= fx/∆f
Trong đó :
F= K1 + a1.N (2)
F= K2 + a2 .(N-1) (3)
ở đây a1, a2 là số chu kỳ của biến đổI Fourier cho N và N-1 điểm.
Khi mà N> N-1 và a1<= a2 thì
a2=a1 +x với =( 0,1 ,2 ….).
Thay a2 vào (3) ta có :
fx= K2 +(a2 +x) .(N-1)
Ta thấy rằng :
a1= (F- K2 -x(N-1))/ (N-1)
F=K1 + (F-K2 -x(N-1)).N/(N-1)
Nhân cả hai phương trinh này với (N-1) , ta có :
(N-1).F=K1(N-1) +F.N -K2>N -X.(N-1).N

sau đó chuyển vế ta được :
F=K2.N -K1 (N-1) + N.x (N-1)
Bằng việc đặt Ky= K2.N -K1(N-1) và Ny =N(N-1) chúng ta có :
fx=(Ky +Ny.x).∆f
Rõ ràng sự quềt định của dải tần số bởi thiết bị được quyết định theo biểu thức sau:
Dy=Ny.∆f =N.(N-1)
Tần số lối vào có thể được xác định the biểu thức sau:


fx= ∆f.( K2.N -K1.(N-1)) nếu K2=>K1
fx= (f .(K2.N -K1.(N-1) + N.(N-1) nếu K2<=K1
với ∆f=1/T là độ phân giải phổ.
T là chu kỳ tín hiệu lối vào.
N là số điểm của biên đổi Fourier rời rạc.
Để thu tín hiệu lối vào với tần số fx, phổ của tín hiệu lố vào như hình vẽ :
S(t)
a)

t

t

Hình a: phổ của tín hiệu lốI vào
Sau đó số hoá tín hiệu lối vào và thu được các điểm rời rạc của phổ :
S(k)
b)
k

0

1

N

2N

I1N K1 +I1N

IN

hình b.phổ rời rạc
Sau đó số hoá tín hiệu lối và thu được các điểm rời rạc của phổ :
hình vẽ (b)
Với mỗi tín hiệu lối vào ta thu được phổ rời rac nhưng có thể so sánh chung được ,
chúng ta có thể tìm thấy những tần số đúng là tạI đIúm cực đạI của chu kỳ phổ trùng khít
nhau:
hình vẽ (c)
S(k)
c)

k


0

1

N-1

2(N-1) I2(n-1)+l2(n-1) I(N-1).

Để cho phép chúng ta thực hiện được sự phân tích phổ tiêu chuẩn phản ánh mối liên hệ với giả tần mở rộng
của tần số không khả thi xác định :

n=Dy/Dn
với n là sự liên hệ dải tần
Dn ,Dy là dải tần của tần số không khả thi xác định cho thiết bị mới và cũ tương ứng .
Dn=n.∆f , Dy =N.(N-1)
N=Dy/Dn =N-1
Phương pháp này cho phep xác định dảI tần không khả thi được bở rộng ,nó có thể đạt
được sự cần thiết tỷ số giũă dảI tần và sự miêu tả cần thiết của tần số quy định.


Chương 4
Qúa trình xử lý tín hiệu trong sensor thông minh
cận số.
4.1 . GiớI thiệu chung :
Công nghệ xử lý tín hiệu số đã bắt đầu được sử dụng trong một dảI rộng của công nghệ
và người tiêu dùng tạo ra sản phẩm có lợi cho chúng ta từ độ chính xác và độ tin tưởng.
Theo Texas thiết bị số xử lý tín hiệu được định nghĩa " khoa học có liên quan với sự
miêu tả của tín hiệu bởi sự nối tiếp của các số và quá trình xử lý sảy ra sau của số tiếp
lối".
Sự cải tiến của quá trình xử lý của tín hiệu có những tiến bộ rõ ràng.
+) Nó có thể thực hiện nhiều công việc với giá rẻ. Điều đó có thể có thể có cả sự khó
khăn khác hay không thể làm được trong lĩnh vực tương tự, ví dụ như biến đổi Founei.
+) Hệ thống số không nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường và dung sai của linh kiện,
có thể chắc chắn dự đoán được và lặp lại được.
+) Các chức năng có thể lập trình lại được.
Trước sự xuất hiện của vi điều khiển có nhớ, vi xử lý DSP hoạt động thật sự tin tưởng ở
biểu cận số thời gian với tần số - xung tín hiệu. Bởi vì một sensor thông minh sử dụng

một vi điều khiển hoặc một vi xử lý DSP ở trong cấu trúc của nó, nó thích hợp cho sự
hoạt động hiệu quả trong lĩnh vực số. Tuy nhiên trước kia trong một khoảng thời gian
ứng dụng tới hạn cũng như trong điều khiển tự động hệ thống xung- tần số chuyển đổi
chính xác với xung- tần số tín hiệu vẫn được sử dụng. Chúng ta quan tâm tới một vàI
chuyển đổi đặc biệt: Tần số (chu kỳ) thành viễn cũng như tới qúa trình xử lý tín hiệu sử
dụng cho sensor, sự cải tiến chính xác cho sensor (lượng tử và táI tạo) và tăng tính ổn
định của sensor.
Các toán tử trong xử lý tín hiệu của sensor thông minh:
4.2 Toán tử cộng và toán toán tử trừ :
Thường trong quá trình xử lý tín hiệu tần số nó là cần thiết trừ một tần số với một tần
số khác hoặc cộng hai hay nhiều tần số. Tại ban đầu thông tin đến vào trong bộ cộng
bằng dãy nối tiếp của các xung với tần số Fi (t), tỷ lệ với thông số tức thời x(t), phép
tổng sẽ táI tạo lại dãy nối tiếp của xung với tần số F(t) dạng theo biểu thức cho phép.
F(t) = k (F1(t) + F2 (t)).
ở đây F1 (t) = kx1(t), F2 (t) = kx2 (t). là thông tin ban đầu của dạng xung- tần số.
k: Là số không đổi.
Quay trở lạI,phép trừ táI tạo dãy xung nối tiếp với tần số F (t) theo biểu thức:
F(t) = k (F1(t) - F2 (t)).


Từ hai biểu thức ban đầu cho tần số xác định cho phép phương thức của sự đếm phụ
thuộc theo biểu thức của thuật toán chuyển đổi và quyết định của quyết định của phép
tổng tuyệt đối của hai tần số có cấu trúc là:
fx = fx1 + fx2 = f0 (Nx2/N2 + NX1 N1 ) ;
Phép cộng tuyệt đối của hai chu kỳ:
Tx = Tx1 + Tx2 = To(N2/Nx2 +N1/Nx1 ) .
Biểu thức đơn giản có thể đạt được sự giải quyết của một sự tuyệt đối và có liên quan
đến hai tần số khác nhau (chu kỳ). Ngoài ra như đã biết thời gian lượng tử Tg là có thể
xác định mức của sự thay đổi tổng và sự khác nhau của chu kỳ tần số. Phép cộng và phép
trừ tần số của các thiết bị được sử dụng như thiết bị phức tạp như máy tần số với sự hồi

tiếp của dương và hồi tiếp âm.
4.3. Toán tử nhân và toán chia.
Trong việc đo tần số, sự sử dụng của máy chia tần số giống như vai trò của bộ
khuyếch đại của tín hiệu điện tử ở trong phép đo biên độ. Chúng tăng dần tính cảm biến
của thiết bị đo và mở rộng dải tần đo cho thông số nhỏ hơn. Chúng có thể cải tiến bộ biến
đổi tần số thành mã đồng thời ở trong một vài sự điều khiển. Đầu tiên ở tạI một tốc độ đã
cho chúng cho phép tái tạo lại sai số lượng tử. Thứ hai, bằng việc căn cứ vào sai số
lượng tử nó có thể tái tạo thời gian của phép đo, do đó sử dụng thiết bị đo đIũu khiển sự
thay đổi các thông số chậm hơn hoặc táI tạo lại lỗi thuộc động lực bởi sự đo của một
tham số nhanh chóng. Cuối cùng, bộ nhiên tần số có thể được sử dụng cho nhiều tần số
hợp nhất, cho phép đo giấy thiết bị đã được sử dụng với sensor cho lối ra tần số khác
nhau. Chúng ta xem xét chi tiết như sau:
Mặc dù thực tế nhiều bộ nhân tần số đã biết và được áp dụng trong radio và hệ thống
đo lường (bằng pha và đo thời gian) trong một thời gian dàI , sự xuất hiện của công nghệ
đo tần số với nhu cầu đòi hỏi, đặc biệt tới bộ nhân đã cho kết quả không chỉ trong sự tạo
ra bộ nhân mới, mà ngoài ra còn tạo ra sự hiểu biết về bộ nhân.
Bộ nhân tần số là bộ biến đổi của lối vào dao động điện với tần số fxi thành lối ra dao
động với tần số trung bình.
fx out = km . fxi.
ở đây km là thừa số nhân miêu tả một số nguyên (xong một số trường hợp không đúng
với phân số). Do đó tần số trung bình của một tín hiệu là qua bởi tín hiệu tại mức chính
xác (Ví sụ như zero) thành bên cạnh trong khi một đơn vị thời gian .
Giải tần làm việc của bộ nhân hoặc một băng tần là đặc trưng bởi mối quan hệ của tần số
lớn nhất với tần số nhỏ nhất.
V= fx1max /fximin
Ngoài ra nó là logorith cơ sở 2 log2D (giải tần ở trong octaves) hoặc logorith cơ sở 10
logD (giảI tần trong decades) với tín hiệu tần số lối vào ở bên ngoài giảI làm việc của bộ
nhân, log D không thể thay đổi hệ số nhân của bộ nhân.
Sự mở đầu của bộ nhân tần số là một biện pháp có hiệu quả của sự tăng thời gian của
bộ biến đổi cho chậm và tần số thấp hơn.

Tín hiệu của tần số ra của bộ nhân gấp km lần tần số lối vào. Sau đó tần số đã được
nhân phải được biến thành một dạng mã. Do đó bằng sai sốlượng tử đã cho, thời gain
lượng tử Tg có thể được táI tạo lạI ở dạng gấp km lần, khi tổng số tham số biến đổi
chậm có thể được đo với sự chợ giúp của một trong nhiều kênh thu dữ liệu, bằng sự đo
nhanh sự biến đổi tham số bởi động lực học,bởi cung cấp sai số lượng tử sẽ phảI gảim
km2. Bộ nhân tần số sử dụng thời gian lượng tử Tg đã cho phép táI tạo sai số lượng tử
giảm km lần.
Bộ nhân tần số thống nhất (hợp nhất) tín hiệu lối ra của sensor tần số và bộ chuyển
đồi, đây là đIũu đặc biệt quan trọng khi mà sự đa dạng (loạI) sensor được sử dụng trong
hệ thống thu dữ liệu. Do đó điều đó là ước muốn. Lối ra tần số của tất cả hay một phần
của các sensor được nhận bởi một bộ nhân tần số. Theo đó thừa số nhân có thể thay đối
qua ( dải dộng mà không tổn thất về tốc độ. Bộ nhân tần số hơn nữa có thể mang ra ngoài
sức chuyển đổi các hàm khác nhau của tín hiệu tần số vào nên chúng phải được sử sụng
cho hiệu chỉnh không tuyến tính của tín hiệu sensor. Khi km < 1 chúng ta có một bộ chia
tần số…
Khía cạnh bề ngoài của bộ nhân tần số là hệ số nhân tốc độ và dải tần số. Bộ nhân tần
số sử dụng ở trong bộ biến đổi tần số thành mã, nên cung cấphệ số nhân lớn nhất, tốc độ
cao nhất và một dải tần làm việc rộng. Những đòi hỏi này là không mâu thuẫn nhau. Thật
vậy, khi km tăng thường đi theo là dải tần hẹp, ngược lại khi mở rộng dải tần số điều
khiển tốc độ giảm.
Bộ nhân tần số với dạng xung của tín hiệu lối vào và lối ra có thể thu được rất to lớn.
Nừu dạng của tín hiệu lối vào khác dạng của phép cộng có thể được mang ra ngoài. Tuy
nhiên bởi vì sự giao thoa của nhiều nhân thời gian của dạng xung, chu kỳ được nhân mở
rộng lối vào xung với một vàI lỗi.
Nếu tín hiệu sensor có dạng răng cưa, tổng số xung được định dạng đặt tại một vàI
mức bởi điện áp vào bao gồm một đường dốc điện áp răng cưa và một mức dao động là
hằng số tạo lên bộ nhân không phù hợp cho một dải tần số làm việc rộng bởi vì các xung
sắp xếp ở dạng thời gian trở nên đồng dạng nhau. Bởi bộ chia tần số với giá trừ nhỏ

không đáng kể phảI thay đổi biện pháp,biên độ của xung răng cưa. Ngoài ra nó có thể
mất một phần xung lối ra ở dải tần số cao.
Sử dụng xung tam giác đối xứng là tín hiệu lối vào, bộ nhân có thể thực hiện được bởi
lặp lại, sự đIũu chỉnh đầy đủ sóng làm cho sinh cấu thành linh kiện có thể trừ được từ tín
hiệu lối vào, sau đó điều khiển hoàn toàn sóng và được mang ra ngoài. Cuối cùng chúng
ta có đIửn tam giác nhưng với hai tần số linh kiện phải bị trừ lại tử một tín hiệu và chỉnh
toàn bộ dạng sóng có thể thực hiện được. Bộ phận không đòi hỏi và tác động của các yếu
tố theo lý thuyết có thể có một thừa số nhân rộng hơn cho một dảI tần số bởi biên độ
không đổi của tín hiệu lối vào.
Nếu dạng tín hiệu lối vào khác dạng xung tam giác đối xứng nó cần thiết phải tốn dạng
tín hiệu mở đầu của tần số được nhân.
Với sóng sin ta thực hiện lối vàobộ nhân với mã không gian với sự trợ giúp của chuyển
đổi tín hiệu không tuyến tính là hầu hết thường xuyên sử dụng.