Bài 04 cải thiện chất lượng tín hiệu tương tự 1

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 4: Cải thiện chất lượng tín hiệu
đo lường tương tự
1. Tạp âm và nhiễu của tín hiệu tương tự
2. Kết nối tín hiệu tới bộ khuếch đại
3. Lọc tương tự đối với tín hiệu đo

3

1. Tạp âm và nhiễu của tín hiệu
tương tự


Tạp âm và nhiễu của tín hiệu tương tự
• Các tín hiệu đo lường thường đồng hành với nhiễu và

tạp âm; đôi khi với mức có thể so sánh với mức tín
hiệu đo.
• Tạp âm là các tín hiệu ngẫu nhiên có tần số và biên độ

không xác định (tạp trắng là tín hiệu về lý thuyết có
tất cả thành phần tần số).
• Nhiễu là các tín hiệu đến từ các nguồn bên ngoài khác

nhau; thông thường, những tín hiệu này có tần số
lưới điện 50 Hz và hài của tần số này.
5


Các phương pháp loại bỏ tạp nhiễu
 Áp dụng đầu vào tín hiệu vi sai cho các bộ khuếch đại (loại






bỏ các tín hiệu đồng pha), hoặc sử dụng các cảm biến vi sai
(VD để loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ bên ngoài).

Áp dụng cách ly dòng một chiều cho mạch điện (các bộ
khuếch đại cách ly).
Áp dụng các bộ tách sóng nhạy pha - trong các bộ khuếch
đại lock-in để loại bỏ tạp âm.
Loại bỏ độ trôi 0 nhiệt độ bằng áp dụng các hàm auto-zero.
Nối đất chính xác và che chắn các phần khác nhau của mạch
điện, ví dụ áp dụng đất Wagner trong các mạch cầu AC.
6


Các nguồn tạp âm
 Các kỹ thuật khôi phục tín hiệu hiện đại cho phép ta

loại bỏ tạp âm và nhiễu mà lớn hơn đáng kể tín hiệu
đo. Nhưng ta có thể nhìn vào vấn đề tạp âm từ góc
nhìn khác. Khi sử dụng kết nối tín hiệu hoặc nối đất
không chính xác ta có thể làm suy giảm chất lượng của
tín hiệu đo.

Một trong những nhiễu khó khắc phục nhất là tín hiệu
bị suy giảm chất lượng bởi độ trôi 0. Trôi 0 có thể bị gây
ra từ vài nguồn: kết nối hai kim loại (điện áp nhiệt điện),
các tiếp xúc không ổn định, sự rung động của các phần
khác nhau trong mạch điện, cách điện chất lượng kém,
hiệu ứng áp điện, hiệu ứng điện hóa,…Nguồn gốc của

7


Các nguồn tạp âm

 Tạp âm nhiệt Johnson UnT : chuyển động nhiệt hỗn

loạn của các điện tích.
 Mô tả bằng phương trình Nyquist: U nT  4kTRf
k - hằng số Boltzman (k=1,38 10-23Ws/K), T - nhiệt độ, f - độ
rộng băng tần

• Cách giảm tạp âm nhiệt:
• Giảm điện trở sử dụng
• Giới hạn độ rộng băng tần
• Điều chỉnh nhiệt độ
8


Các nguồn tạp âm
 Tạp âm do mặt ghép bán dẫn: Sự thăng giáng

ngẫu nhiên của dòng điện (số điện tích q
chuyển động qua hàng rào thế năng) gây nên
tạp nhiễu hạt Iss .
 Mô tả bởi phương trình Schottky:
I ss  2qI f
q là điện tích (q=1,6 10-19C).
9


Các nguồn tạp âm
 Tạp âm kiểu 1/f (tạp âm tần số thấp, tạp âm nhấp

nháy, hoặc tạp âm vượt ngưỡng): đến từ nhiều nguồn

(hầu hết là chưa biết) và tỷ lệ nghịch với tần số
 Mật độ phổ công suất của tạp âm 1/f:
S f 

E 2f

f
Ef - điện áp hiệu dụng của tạp âm; α - hệ số từ 0,8-1,3.
 Mức tạp âm phụ thuộc vào tần số  không phải là tạp

âm trắng (chứa mọi tần số của tín hiệu)  tạp âm
màu (tạp âm ngẫu nhiên có cùng mức năng lượng
trong mỗi octave).

10


Mật độ phổ của tạp âm
• Do tính ngẫu nhiên, tạp âm không được mô tả theo

mức điện áp Un mà bởi mật độ phổ S(f).
 Un 
U
S f 


f  f 
2
n

2

• U n / f được gọi là mật độ phổ của tạp âm: giá trị

hiệu dụng của điện áp tín hiệu theo mối tương quan
với căn bậc hai của độ rộng băng tần.
• Thông thường, tạp âm được đặc trưng bởi hệ số SNR

(tỷ số tín hiệu trên tạp âm).
11


Nhiễu
 Nhiễu bên ngoài thâm nhập vào mạch đo qua ghép điện

dung, điện cảm hoặc điện dẫn.
c,d, đi tới
đầu BKĐ

a,b, đi vào
dây lân cận

Mạch tương
đương của a

Mạch tương
đương của b

Nhiễu tới bộ khuếch đại qua ghép điện dung

12


Nhiễu
• Nhiễu do ghép điện dung: Do ghép
điện dung giữa 2 dây.
• Khi tần số lớn (lớn hơn =1/R2(C12+C2),
thì bộ phân áp điện dung được tạo ra
và tín hiệu nhiễu trong dây 2 là:
C12
U2 
U1
C2  C12

• Đối với tần số thấp hơn, tín hiệu nhiễu
phụ thuộc vào tần số và điện trở R2.
U 2  j R2C12U1
13


Nhiễu

Nhiễu tới BKĐ qua (a) ghép điện cảm và (b) điện dẫn
 Nhiễu do ghép điện cảm: Điện áp cảm ứng qua điện cảm

giữa các vòng dây của biến áp cách ly.
U L   MI1
 Để loại trừ nhiễu, cần sử dụng một tấm chắn tĩnh điện

bằng đồng được nối đất giữa các cuộn dây.

14


Nhiễu

Nhiễu tới BKĐ qua (a) ghép điện cảm và (b) điện dẫn
 Nhiễu do ghép điện dẫn: do dòng điện trong dây chung

(đấu nguồn hoặc đất). Đặc biệt, trong trường hợp nối hai
điểm đất khác nhau, sự khác biệt thế năng giữa hai đất
(điện áp U1) có thể gây ra nguy hiểm.
15


Nhiễu
• Giảm nhiễu ghép điện dung bằng tấm chắn tĩnh điện

• Giảm nhiễu ghép từ bằng tấm chắn từ

16


2. Kết nối tín hiệu đo tới BKĐ


Giảm nhiễu bằng cặp dây xoắn

 Nhiễu được giảm vì điện áp e’ và e’’ cảm ứng từ dây lân

cận bù cho nhau, và phần còn lại của điện áp cảm ứng e
có hướng ngược lại trong vòng lân cận của cặp dây xoắn.

18


Giảm nhiễu bằng cáp quang
Sợi cáp quang

 Tín hiệu điện được chuyển thành ánh sáng bằng LED

hoặc đi ốt laze.
 Tín hiệu quang được chuyển đổi lại thành tín hiệu điện
bằng bộ tách sóng quang trước khi đưa tới máy thu.
19


Suy hao nhiễu theo phương pháp kết nối
Độ suy hao
của nhiễu

20


Suy hao nhiễu theo phương pháp kết nối
Kết nối không được
khuyến khích giữa nguồn
tín hiệu và máy thu do
cho phép dòng qua vỏ
tồn tại

 Đừng cho phép dòng của vỏ tồn tại và đừng cho vỏ

của cáp ở mức điện áp bằng với điện thế tham chiếu
 Vỏ cáp nên được nối đất ở chỉ một đầu.
21


Suy hao nhiễu theo phương pháp kết nối
 Không nên kết nối nguồn tín hiệu

tới bộ khuếch đại với điện thế đất
khác nhau.
 Sự khác biệt điện thế Ug  tạo ra
dòng san bằng Is chạy qua điện trở
R2  gây ra nhiễu dẫn Uz ở các cực
của bộ khuếch đại.
R2
Uz Ug
R2  Rg

Kết nối sai nguồn tới bộ
khuếch đại

22


Suy hao nhiễu theo phương pháp kết nối

Kết nối tín hiệu tới bộ khuếch đại trong các trường hợp

a. nguồn tín hiệu không nối đất
b. đầu vào của bộ khuếch đại không đấu đất

23


Suy hao nhiễu theo phương pháp kết nối

Kết nối nguồn tín hiệu có nối đất tới bộ khuếch đại
có thêm tấm chắn bảo vệ
24


Suy hao nhiễu theo phương pháp kết nối

Kết nối điện trở đo nhỏ tới đồng hồ vạn năng 4 cực

25