gia công tín hiệu đo lường

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU
ĐO LƯỜNG
Mai Quốc Khánh
Nguyễn Hùng An
Học viện KTQS
06/2019

*


Tài liệu tham khảo
1. Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh,
Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019.
2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc
Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm
2019.

2


Bài 1: Gia công tín hiệu đo lường
1. Các tín hiệu đo lường tương tự
2. Gia công tín hiệu đo lường
3. Chuyển đổi AC/DC
4. Chuyển đổi điện áp – tần số

3

1. Các tín hiệu đo lường tương tự


Tại sao cần xử lý bổ xung với tín hiệu đo
lường?
• Thông tin đo lường thường được xử lý dưới dạng tín

hiệu đo lường.
• Tín hiệu đo lường điện là tín hiệu điện biến thiên

theo thời gian để biểu diễn giá trị đo được.
• Các tham số tín hiệu thường sử dụng để biểu diễn giá

trị đo: biên độ, tần số, pha ...
• Để đạt chất lượng tốt hơn, tín hiệu cần được xử lý bổ

sung.
5


2. Gia công tín hiệu


Mục đích của gia công tín hiệu
• Gia công tín hiệu (hay chuẩn hóa tín hiệu -

Signal conditioning): biến đổi tín hiệu từ dạng
sơ cấp về dạng thuận tiện cho xử lý tiếp theo
• VD: biến đổi sự thay đổi điện trở của cảm biến điện

trở nhiệt thành sự thay đổi của điện áp.

• Thông thường, mạch chuẩn hóa tín hiệu cho

phép hiệu chỉnh tăng cường tuyến tính.
• Biến đổi tín hiệu cảm biến về dạng cuối (bao

gồm: khuếch đại, biến đổi về giao diện chuẩn).
7


Các hoạt động gia công tín hiệu
• Thu nhận dữ liệu (Data Acquisition): trộn tín

hiệu vào, chuyển đổi về dạng số và truyền tới
giao diện máy tính
• VD: PCI hoặc USB

 Chuyển đổi tín hiệu: biến đổi tín hiệu từ dạng

này sang dạng khác
 VD: Biến đổi A/D hoặc biến đổi AC/DC

 Khôi phục tín hiệu: phục hồi hoặc cải thiện

chất lượng tín hiệu
 VD: loại bỏ ảnh hưởng của tạp âm

8

Các hoạt động gia công tín hiệu (tt)
• Khuếch đại tín hiệu: tăng giá trị tín hiệu

nhưng vẫn bảo toàn các tham số khác (VD:
băng thông tần số, dạng sóng ...).
 Cách ly tín hiệu: tách (vật lý) các mạch vào và

mạch ra.
 Lọc tín hiệu: chỉ truyền tới đầu ra các thành

phần hài đã chọn từ tín hiệu vào.
9


Các hoạt động gia công tín hiệu (tt)
 Hòa hợp tín hiệu: chuyển đổi tín hiệu từ dạng

tùy ý về dạng chuẩn (hoặc dạng thông dụng).
 VD: biến đổi tín hiệu đo về tín hiệu ± 5V (chấp nhận

bởi hầu hết các mạch số).
 Điều chế tín hiệu:
 VD: biến đổi tín hiệu đo thành tín hiệu cao tần với
một tham số nào đó (biên độ, tần số, pha) thay đổi
theo thông tin đo lường.

10

Các kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường
 Xử lý tương tự tín hiệu đo lường
 Thích hợp cho xử lý ban đầu (VD: khuếch đại)

 Xử lý số tín hiệu đo lường
 Ít chịu ảnh hưởng của nhiễu
 Dễ truyền và lưu giữ
 Dễ thực hiện các tính toán
 Thích hợp với các hệ thống tính toán
 Hai kỹ thuật trên bổ sung cho nhau
11


Phân loại tín hiệu đo lường
 Tín hiệu tất định và tín hiệu ngẫu nhiên
 Tất định: có thể dự đoán với một độ chắc chắn tuyệt đối
và có thể tái tạo.
 Ngẫu nhiên: chỉ có thể ước lượng với một xác suất nào
đó.

 Tín hiệu một chiều (DC) và tín hiệu xoay chiều (AC)
 DC: được mô tả bởi một tham số giá trị
 AC: được mô tả bởi nhiều tham số
 Các giá trị: tức thời u(t); biên độ Um hoặc đỉnh Up; đỉnh-đỉnh (Upp); trung

bình (U0), trung bình chỉnh lưu (Uav); hiệu dụng Urms
 Tần số f (hoặc ω = 2πf hoặc chu kỳ T = 1/f); pha ϕ

12

Các giá trị đặc trưng cho điện áp xoay chiều
Tín hiệu điện áp

u (t )  U m sin t   

Các tham số chính

Giá trị
biên độ
đỉnh-đỉnh

Giá trị
biên độ

1 t0  T
U0  
u (t )dt
t
T 0

1 t0  T
U av  
u (t ) dt
t
T 0
U rms

1 t0  T 2


u (t ) dt

t
T 0

Với tín hiệu hình sin:
U0 = 0
Uav = 0,637Um
Urms = 0,707 Um
Upp = 2 Um
13/30
13


Phân tích tín hiệu AC trên miền tần số và
miền thời gian
Sử dụng biến đổi Fourier

1
x(t ) 
2
X ( ) 





X ( )e jt d 







x(t )e  jt dt



Tín hiệu tuần hoàn không sin có thể mô tả bởi tổng các hài


x(t )  a0  2 ak cos(k0t )  b0sin (k0t )
k 1

với
1
a0 
T

t1 T


t1

x(t )dt

1
ak 
T

t1 T


t1

x(t )cos(k0t )dt

1
bk 
T

t1 T


t1

x(t )sin (k0t )dt
14/30
14


Phân tích tín hiệu AC trên miền tần số và
miền thời gian (tt)
Tín hiệu tuần hoàn không sin cũng có thể mô tả theo
hàm mũ phức
x(t ) 



ce

k 

n

jk0t

1
với cn 
T

t0  T



x(t )e  jk0t dt

t0

Hệ số méo của tín hiệu không sin h 

U 22  U 32  ...  U n2
U1

Với tín hiệu không tuần hoàn, sử dụng tích phân

Fourier thay cho chuỗi Fourier
 jt
X(f ) 

 x(t )e



dt
15/30
15


Biểu diễn Fourier các tín hiệu điển hình

Biểu diễn Fourier của các tín hiệu điển hình

16


Biểu diễn phổ của tín hiệu

Tín hiệu hinh sin thuần túy

Tín hiệu bị méo

Ví dụ về phân tích phổ
17


Chuẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảm
kháng
• Nhiều đại lượng không điện có thể được đo bằng các

cảm biến  chuyển đổi giá trị đo thành sự thay đổi
của trở kháng, dung kháng và cảm kháng.
• VD: cảm biến strain-gauge (áp suất  thay đổi trở kháng);

cảm biến âm học của microphone (âm thanh  thay đổi
dung kháng)
• Bước xử lý đầu tiên là chuẩn hóa tín hiệu, thông

thường biến đổi tín hiệu thành điện áp (thuận tiện xử
lý tiếp theo: khuếch đại, lọc, truyền dẫn).
18


Chuẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảm
kháng (tt)
Các BCĐ điện trở điện áp điển hình

a) Với trở kháng nối tới Rx rất lớn U out  I w Rx  CĐ tuyến tính
b) Với trở kháng nối tới Rx hữu hạn U out  U w
 CĐ phi tuyến

Rw
1
 Uw
R
Rw  Rx
1 x
Rw

Hạn chế: Uout= f(Rx) không xuất phát từ 0 (do Rx không xuất phát từ

0  Uout cũng không xuất phát từ 0)
Rx
Rx  Rx 0  Rx  Rx 0 (1 
)  Rx 0 (1   )
Rx 0

U out  U out 0 (1   )

19


Chuẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảm
kháng (tt)

Các BCĐ điện trở-điện áp có loại trừ thành phần lệch
a) Cầu không cân bằng (cầu kiểu lệch) b) Với khuếch đại vi sai c) Đặc tính chuyển đổi

U out

Rx
S
 S 
Rxo

20


BCĐ điện trở-điện áp sử dụng mạch cầu
không cân bằng
• Ở trạng thái cân bằng đối với điểm bắt

đầu của điện trở cảm biến, tín hiệu ra
có độ lệch bằng 0, do:
U out  S

Rx
 S 
Rxo

• Hàm truyền bắt đầu từ 0
• Miễn nhiễm với thay đổi của nhiễu bên

Mạch cầu kiểu lệch

ngoài (VD: sự thay đổi nhiệt độ bên
ngoài)

21


BCĐ điện trở-điện áp sử dụng KĐ vi sai
 Mạch sử dụng KĐ vi sai có đặc tính

tương tự như mạch cầu không cân bằng.
 Mạch KĐ vi sai chuyển đổi sai khác giữa

các tín hiệu đầu vào: Uout=Ku(U1-U2).
 Do đó, nếu một trong các điện trở đầu

vào là tích cực (cảm biến đo lường) và

điện trở thứ hai là thụ động có cùng giá
trị  loại trừ được điện áp lệch và cũng
loại trừ được nhiễu.

Mạch với KĐ vi sai

22


BCĐ sử dụng mạch cầu cân bằng 4 cảm biến

Mạch cầu cân bằng với 4
cảm biến, cấp nguồn DC

Mạch cầu cân bằng với 4
cảm biến, cấp nguồn AC

 Để tăng độ nhạy  sử dụng mạch cầu cân bằng có 4 cảm

biến. Hai loại chính:
a) Cấp nguồn DC (sử dụng trong hệ thống cầu đo biến dạng)
b) Cấp nguồn AC

23


BCĐ sử dụng bộ tách sóng nhạy pha

Bộ cảm biến dịch chuyển sử dụng bộ tách sóng nhạy pha (PD) ở đầu ra.
U’out – đặc tính khi không sử dụng PD; U”out – đặc tính khi sử dụng PD

• Khi phần tử sắt động ở vị trí giữa  điện cảm L1 và L2 là như nhau
 cầu cân bằng.

• Khi dịch chuyển phần tử sắt, một điện cảm tăng, còn một điện
cảm giảm. Tín hiệu đầu ra của mạch sẽ tỷ lệ với độ dịch chuyển

24


BCĐ điện dung

a)

b)

Chuyển đổi điện dung (C) hoặc điện cảm (L) thành tín hiệu AC có tần số phụ
thuộc vào tham số cần đo: a) Bộ dao động Hartley b)Bộ dao động Colpitts

 Các bộ tạo dao động (VD: bộ TDĐ Hartley và Colpitts) chuyển đổi

biến thiên của điện trở, điện cảm và điện dung thành tần số
 Hạn chế: sự phụ thuộc phi tuyến của tần số vào tham số cần đo là
phi tuyến, vì f 1/𝑋 . (X là C hoặc L).

25