MOI đề CƯƠNG đo LƯỜNG

ĐO LƯỜNG
CÂU 1: Gia công tín hiệu là gì? Trình bày các hoạt động gia công tín hiệu
1. 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 điệntrở 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).
2. 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
- 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.
- 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.
CÂU 2: Nêu ví dụ về mạch chuyển đổi giá trị đỉnh AC thành DC
Điện áp chỉnh lưu được đưa tới C.
- Nếu hằng số thời gian của các
mạch RC (mạch nạp và phóng) được
thiết kế sao cho quá trình nạp nhanh,
còn quá trình phóng chậm thì điện
áp trên tụ sẽ bằng với giá trị đỉnh
của điện áp nguồn cung cấp.

- BCĐ giá trị đỉnh: C1 được
nạp tới giá trị đỉnh. Mạch hồi
tiếp (R1 và D1) bảo vệ bộ
khuếch đại khỏi bão hòa khi
Uinkỳ điện trở Rp cho phép tụ C
phóng và lặp lại sự chuyển
đổi.
- BCĐ giá trị đỉnh-đỉnh: 2 BCĐ giá trị đỉnh được kết nối tới bộ KĐ vi sai.

1


CÂU 3: Nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi điện áp tần số
Các tín hiệu biến đổi theo thời
gian (tần số, chu kỳ, độ dịch pha,
độ rộng xung) miễn nhiễm hơn
đối với nhiễu (so với tín hiệu biến
thiên theo biên độ).
- Tần số có thể đo dễ dàng với độ
chính xác cao. Tần số của tín hiệu
đầu ra phụ thuộc vào biên độ của
điện áp đầu vào f =Uin/RCUref
Chuyển đổi điện áp - tần số lên tới 100 kHz với sai số phi tuyến nhỏ hơn 0,05%.
• Hệ số chuyển đổi
K=Uin/f có thể được thiết
lập bằng cách mắc điện trở
R và tụ C bên ngoài với giá
trị thích hợp vào bộ chuyển
đổi.

• Ví dụ ứng dụng: chuyển
đổi nhiệt độ với hệ số
chuyển đổi 10 Hz/0C
CÂU 4:Yêu cầu về khuếch đại tín hiệu đo lường
KĐ, ngoài KĐ điện áp, còn cho phép cải thiện chất lượng của tín hiệu (tỷ số tín/tạp).
 Yêu cầu của BKĐ: - Hệ số khuếch đại Ku=Uout/Uin đủ lớn và ổn định
- Trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ
- Không gây ra méo.
 Các loại méo do BKĐ: - Méo tần số (méo tuyến tính): Do tăng ích không đều ở mọi
tần số trong tín hiệu. Yêu cầu để méo tuyến tính nhỏ:
- Băng tần vừa đủ rộng
- Tăng ích Ku đều cho mọi tần số trong băng tần.
- Méo biên độ (méo phi tuyến): Do đặc tính truyền đạt phi
tuyến  hài; thường xảy ra khi TH vào lớn  cần hạn chế tín hiệu vào bằng hồi tiếp âm
Các tham số quan trọng của BKĐ: - Băng thông tần số (giải thông): giải tần trong đó
HSKĐ Ku không giảm quá 3 dB
- Tính động của BKĐ: tỷ số giữa tín hiệu nhỏ nhất và lớn nhất có
thể phát hiện được (phụ thuộc mức tạp âm và trôi không)
Yêu cầu bộ KĐTT trong đo lường: Hệ số KĐ lớn, chính xác và ổn định.
 Hệ số CMMR nên lớn hơn 110 dB
 Độ trôi 0 do nhiệt độ nhỏ hơn 1V/0C
 Trở kháng vào lớn hơn 109 
 Dòng phân cực đầu vào nhỏ hơn 10 nA (với
transistor lưỡng cực) hoặc 10pA (đối với transistor trường)
 Tạp âm dưới 10 nV/Hz
 Sai số phi tuyến < 0,01% (có thể đạt tới 0,0001%)
 Độ rộng băng tần không nhỏ hơn 100 kHz (có thể đạt được lớn hơn 100 MHz).
2

CÂU 5: KĐ cách ly là gì? Các giải pháp thực hiện bộ KĐ cách ly
Nhiều trường hợp cần bảo đảm cách ly dòng
điện một chiều giữa mạch vào và mạch ra.
• Khi đo tín hiệu vi sai rất nhỏ bị chồng lên tín
hiệu chung lớn.
• Khi sai lệch lớn giữa điện thế đất của mạch
vào và mạch ra (VD: trong các thiết bị y tế).
• Khi mạch vào ở xa phần còn lại của mạch điện
và hai phần này được cấp nguồn khác nhau.
• Hệ số nén tín hiệu cách ly IMRR (Isolation
Mode Rejection Ratio):
1. BKĐ cách ly dùng biến áp
Thiết bị cách ly là biến áp (không
biến đổi tín hiệu DC).
 Kết hợp bộ điều chế (biến đổi
DC  AC) và bộ giải điều chế để
khôi phục lại tín hiệu DC.
2. BKĐ cách ly dùng tụ điện
Phần tử cách ly là tụ điện có giá trị
điện dung cỡ 1 pF
 Mạch tích phân tương tự - số A1
chuyển đổi thành tín hiệu vào thành
AC  truyền qua tụ điện. Bộ khuếch
đại tích phân A2. chuyển đổi tín hiệu
AC lại thành DC.
3. BKĐ cách ly dùng truyền dẫn ánh sáng
Phần tử cách ly sử dụng truyền dẫn ánh
sáng
 Đi ốt LED D3 chiếu sáng hai đi ốt thu
quang đồng nhất D2 trong mạch ra (chuyển

đổi dòng điện/điện áp) và D1 trong mạch
vào (chuyển đổi điện áp/ dòng điện).
 Đi ốt D1 trong mạch hồi tiếp giảm thiểu sai số phi tuyến.
 Do cả hai đi ốt bị chiếu sáng như nhau vì vậy I1=I2=Iin.
4. Bộ khuếch đại cách ly dùng từ trường

3


Dòng điện trong cuộn phẳng tạo ra từ trường
được phát hiện bởi cảm biến điện trở từ
(GMR - Giant Magnetoresistance).
 Cảm biến GMR trong mạch hồi tiếp chỉ
phát hiện sự tồn tại của từ trường  tính phi
tuyến của GMR không ảnh hưởng đến tính
tuyến tính của thiết bị.
CÂU 6: Trình bày sơ đồ khối và nguyên lý của BKĐ Băm, autozero?
Vấn đề đối với KĐ các tín hiệu DC nhỏ: hiện tượng trôi 0 do nhiệt độ
 Hai kỹ thuật khắc phục ảnh hưởng của trôi 0 do nhiệt độ:
+ Khuếch đại băm (hay KĐ biến điệu): Biến đổi DC thành AC (để tách trôi 0 DC
với tín hiệu hữu ích AC)  KĐ tín hiệu AC  chuyển đổi trở lại DC.
+ Khuếch đại auto-zero: Bộ khuếch đại sẽ bị hủy kết nối theo chu kỳ khỏi đầu vào,
khi đó đầu vào được ngắn mạch tới đất và thành phần 0 được bù.
1. BKĐ băm
Tín hiệu vào bộ
khuếch đại (với Uin
là tín hiệu vào và
tần số chuyển mạch
là ω0)

Lọc bỏ các hài bậc cao, điện áp
ra bộ khuếch đại là (với thành
phần DC là U0 và trôi 0 là ∆U0)
Thành phần DC bị chặn bởi tụ C, nên
Sau chuyển mạch thứ hai
Sau lọc
Thành phần U02 là trôi 0 của bộ khuếch đại cuối cùng, có thể bỏ qua bởi khi được cộng
vào tín hiệu đầu ra lớn.
Nhược điểm của BKĐ băm: Độ rộng băng tần hạn chế
 Khó thực hiện chế độ KĐ vi sai
 Yêu cầu lọc tín hiệu
2. BKĐ auto-zero
Bước a: A đóng, A mở. BKĐ B được nối
tới đầu vào, BKĐ A bị ngắn mạch.
BKĐ A chỉ khuếch đại tín hiệu lệch U0SA và
đưa tới mạch hồi tiếp

4


U’OA nạp cho tụ CM1
Bước b: A ngắt, B đóng. Điện áp ra của BKĐ A:
UNA là điện áp rơi trên tụ CM1:
đóng góp của thành phần trôi 0 giảm (1+)
Tín hiệu ra

Độ trôi 0 được KĐ theo hệ số nhỏ hơn  lần so với điện áp vào. Thành phần trôi 0 kết quả
U0S là:
Do  lớn nên thành phần trôi 0 giảm (còn cỡ nV) mà không hạn chế
băng tần và có khả năng hoạt động ở chế độ vi sai:

CÂU 7: Trình bày sơ đồ khối và nguyên lý của BKĐ Lock-in
Sử dụng BKĐ
lock-in: Chọn lọc
bằng bộ tách sóng
nhạy pha, chọn từ
tín hiệu đầu vào
chỉ những thành
phần có cùng tần
số và pha với điện
áp tham chiếu.
Trong khếch đại tín hiệu DC nhỏ có hạn chế chính là đội trôi 0, thì trong trường hợp
tín hiệu AC nhỏ, hạn chế này gây ra bởi mức tạp âm. Tạp âm này gồm 1 số vô hạn tín hiệu
với tần số khác nhau (tạp trắng) và đôi khi tạp âm tự bản thân nó lớn hơn tín hiệu đầu vào
hữu ích. Nếu biết tần số của tín hiệu đầu vào ta có thể phân tách tín hiệu này khỏi tạp âm
bằng cách sử dụng khếch đại chọn lọc. Bộ khuếch đại chọn lọc (được điều chỉnh tới tần số
nhất định) hiếm khi được sử dụng trong đo lường bởi vì rất khó để dảm bảo khuếch đại ổn
định, chỉ lệch nhỏ khỏi tần số cộng hưởng sẽ gây ra sự iến thiên lớn về khuếch đại. Do đó,
để khuếch đại tín hiệu AC nhỏ, bộ khuếch đại Lock-in được sử dụng.
Trong các bộ KĐ Lock-in, bộ tách sóng nhạy pha được sử dụng làm phần tử chọn
lọc. Bộ tách sóng này chọn từ tín hiệu đầu vào chỉ những thành phần có cùng tần số và pha
với điện áp tham chiếu. Trong khi bộ KĐ chọn lọc thông thường có hệ số Q khoảng 50, bộ
KĐ Lock-in có thể cho hệ số này lớn cỡ 100,000 (có thể chọn lọc tín hiệu có tần số 10KHz
5


trong độ rông băng tần 0,01khz. Theo cách này có thể lọc tín hiệu khỏi tạp âm với mức
dưới nV.
Sơ đồ nguyên lý bộ KĐ Lock-in. Sau KĐ sơ cấp, tín hiệu đầu vào được đưa tới bộ
tách sóng nhạy pha. Ở đó nó được tách sóng theo tần số và pha của tín hiệu tham chiếu và
kế tiếp được lọc bởi bộ lọc thông thấp.

CÂU 8: Trình bày mạch chuyển đổi dòng điện – điện áp, điện áp – dòng điện
Trong các chuyển đổi đo lường, hồi tiếp âm giúp cải thiện độ chính xác của chuyển đổi và
cho phép tác động đến trở kháng vào và trở kháng ra.
Hệ số chuyển đổi phụ thuộc vào R và có thể được thiết lập rất chính xác.
Trong đo lường, các chuyển đổi với đầu
ra rất quan trọng. Bởi vì trong trương
hợp đầu ra dòng điện và truyền dẫn tín
hiệu, sai số do thay đổi trở kháng kết nối
(sự thay đổi điện áp trên kết nối do sự
biến thiên của nhiệt độ môi trường xung
quanh) không ảnh hưởng đến tín hiệu
đầu ra.
CÂU 9: Ảnh hưởng của hồi tiếp âm đến các đặc tính của chuyển đổi
Hồi tiếp âm cải thiện hầu hết các đặc trưng của bộ chuyển đổi: độ chính xác, độ tuyến tính,
trở kháng vào, trở kháng ra, và đặc tính động.
 Nhược điểm chính của sử dụng hồi tiếp là gây nên rủi ro về sự không ổn định của toàn
bộ chuyển đổi. Vì vậy, trong một số trường hợp, cần phải có một số hiệu chỉnh đặc biệt.
1.Ảnh hưởng của hồi tiếp âm tới độ chính xác của chuyển đổi
Hệ số CĐ phụ thuộc tăng ích của
BKĐ (không ổn định) Thay đổi tăng
ích của BKĐ ít ảnh hưởng tới ĐCX
của chuyển đổi (với G lớn  K rất
nhỏ  có thể
bỏ qua).
2. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm tới độ tuyến tính của chuyển đổi
Như vậy, U << Uin (ví dụ, nếu Uin
trong phạm vi mV thì U sẽ ở trong
miền V).

6

Dòng điện đầu ra qua điện trở hồi tiếp Rw làm
tự cân bằng cầu  khi đó U có độ lệch
chuẩn rất nhỏ (hoặc Rx không cân bằng rất
nhỏ)  giảm phạm vi không cân băng của
cầu  giảm sai số phi tuyến của bộ CĐ.
Dòng điện đầu ra trong cuộn hồi tiếp tạo ra từ
trường hồi tiếp BFD để cân bằng mạch cầu.
• Cảm biến hoạt động như một bộ phát hiện từ
trường bằng 0. Ngay cả khi nó phi tuyến thì toàn
bộ chuyển đổi vẫn tuyến tính (vì chỉ sử dụng một
phần tuyến tính nhỏ của đặc tuyến truyền đạt).
3. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm tới trở kháng của chuyển đổi

Như vậy, áp dụng hồi tiếp dòng điện 
có BCĐ với đầu ra dòng điện (trở kháng
lớn - nguồn dòng); áp dụng hồi tiếp điện
áp  có BCĐ với đầu ra điện áp (trở
kháng nhỏ - nguồn áp).
4. Ảnh hưởng của hồi tiếp âm tới đặc tính động của chuyển đổi
Như vậy, hằng số thời gian T giảm đi
1+Ku  độ nhạy cũng giảm đi như vậy.

7


CÂU 10: Trình bày sơ đồ nguyên lý làm việc của BKĐ tích phân, vi phân, mạch cộng,
mạch trừ, mạch nhân
1. BKĐ tích phân

Sử dụng hồi tiếp thích hợp, ta có
thể tạo ra nhiều đặc tính truyền đạt
thực hiện các hàm toán học khác
nhau như: tích phân, vi phân,
logarith, nhân, chia, cộng, trừ …
U0 là điện áp trên tụ C trước khi
tích phân
2. BKĐ vi phân
Với mạch vi phân lý tưởng
Khắc phục hiện tượng cổng hưởng
ở tần số cao bằng các điện trở R3
và R4.
3. Bộ nhân
Bộ nhân đóng vai trò rất quan trọng nhất trong xử lý tín hiệu
tương tự, dùng để thực hiện các phép toán: nhân, chia, bình
phương, căn bậc hai, các hàm lượng giác, tính RMS, tính công
suất điện, điều chế và giải điều chế nhạy pha.
 Hai kỹ thuật thực hiện bộ nhân: nhân hỗ dẫn Gilbert hoặc
tính loga/đối loga.

8


4. Bộ cộng và bộ trừ

BKĐTT được sử dụng để cộng các tín hiệu
CÂU 11: Trình bày về các mạch lọc sallen-key thông thấp và thông cao?
Kết nối vài bộ lọc nối tiếp  tăng bậc bộ
lọc và độ dốc đặc tính trong vùng chuyển
dịch, nhưng cũng làm tăng suy hao tín

hiệu có ích và ảnh hưởng tới đặc tính tần
số.
 Khắc phục: Sử dụng BKĐ để hỗ trợ bộ lọc RC thụ động.

Bộ lọc thông dải đạt được
bằng cách kết hợp bộ lọc
thông thấp và thông cao.

Bảng các đa thức mẫu của bộ lọc Butterworth được tạo từ các thành phần bậc 1 và bậc 2
Cách đơn giản nhất để đạt
được bộ lọc có bậc cao hơn
là ghép nối tiếp các bộ lọc
bậc thấp.  VD, để đạt được
bộ lọc bậc 4  kết nối hai
bộ lọc bậc 2; để đạt được bộ
lọc bậc 5  kết nối thêm bộ
lọc bậc 1
Ví dụ về thiết kế bộ lọc tương tự
9


Thiết kết bộ lọc Butterworth
bậc 4 với tần số cắt là 1 kHz.

Bộ lọc thông thấp Butterworth bậc 4 với tần số cắt 1 kHz
. Điện trở R được thể hiện như
điện dẫn G (để đơn giản cho tính toán). Với điện trở chuẩn hóa 1 
 Từ đa thức (s2+1.8478s+1)(s2+0.7654s+1) có:
 Bộ lọc thứ nhất: C1C2=1 và 2C2=1,8478  C2=0,9239 F và C1=1,08 F.
 Bộ lọc thứ hai: C1C2=1 và 2C2=0,7654  C2=0,3827F và C1=2,61F.

 Với các điện trở là 1 k (nhân với hệ số 1000)  điện dung cũng phải chia 1000.
 Để có tần số cắt là 1 kHz (thay vì 1 rad/s)  chia điện dung cho 21000.
CÂU 12: Nhiễu, tạp âm là gì? Các giải pháp giảm nhiễu thông qua kết nối tín hiệu đo
đến BKĐ
1. 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.
2. Các phương pháp loại bỏ tạp nhiễu Nhiễu đo có thể được loại bỏ nhờ các bộ lọc:
 Bộ lọc thông thấp LP  loại bỏ nhiễu tần số cao (VD: nhiễu tần số vô tuyến)
 Bộ lọc thông cao HP  loại trừ nhiễu tần số công nghiệp
 Bộ lọc thông dải BP và bộ lọc chặn chặn dải BR  phân TH hữu ích khỏi TH 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.
3. Các giải pháp giảm nhiễu thông qua kết nối tín hiệu đo đến BKĐ
a. Giảm nhiễu bằng cặp dây xoắn

10

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.
b. Giảm nhiễu bằng 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.
c. Suy hao nhiễu theo phương pháp kết nối

CÂU 13: Trình bày các nguyên lý lấy mẫu và lượng tử hóa, trích và giữ mẫu
Lấy mẫu
Trình tự xử lý tín hiệu số: chuyển đổi tín
hiệu tương tự thành dạng số  xử lý tín
hiệu số (ADC)  chuyển đổi tín hiệu số
về tín hiệu tương tự (DAC).
 Lấy mẫu: Số hóa tín hiệu tương tự
theo thời gian
Tần số lấy mẫu fs = 1/Ts [Hz] hoặc [SpS]
Lượng tử hóa: Số hóa tín hiệu theo giá trị
 Tín hiệu tương tự x(t) = Xmsint được chuyển đổi thành tín hiệu x(n) = Xn
+ Xm là biên độ của tín hiệu tương tự
+ Xn là giá trị của tín hiệu với chỉ số n
 Kết quả của việc số hóa theo thời gian trên trục x được thay thế bởi chỉ số n và mọi
mẫu được mô tả theo chỉ số n của nó.
 Chu kỳ lấy mẫu Ts = 1/f
Lượng tử hóa: mỗi mẫu

được gán một giá trị số
(thường ở dạng nhị phân).
Mạch trích-giữ mẫu
11


ADC cần thời gian nhất định để
thực hiện quá trình lấy mẫu và
lượng tử hóa  ADC thường
được đặt sau mạch trích-giữ
mẫu SH (Sample and
Hold).Các mạch SH có hồi tiếp
hoạt động chậm hơn các mạch
đơn giản, nhưng độ chính xác
xử lý tín hiệu tốt hơn.
Mạch SH thường có trong
nhiều bộ xử lý số (gồm ADC và
DAC). Với DAC, SH làm mượt
tín hiệu và loại bỏ nhiễu xung.

12


CÂU 14: Trình bày thế nào là oversampling, undersampling, downsampling,
upsampling
Lấy mẫu Oversampling
Tần số lấy mẫu càng cao 
yêu cầu chất lượng của bộ lọc
càng ít quan trọng  cần kỹ
thuật lấy mẫu oversampling.

sử dụng BL chống chồng phổ:
 Ưu điểm: chi phí thấp, đơn
giản
 Nhược điểm: Phải sử dụng
các bộ chuyển đổi ADC với
tốc độ lấy mẫu cao hơn  giá
thành cao.
 Sử dụng Oversampling:
+ Có thể sử dụng BL chống chồng phổ với bậc thấp hơn
+ Sau khi chuyển đổi thành TH số, có thể sử dụng bộ lọc chống chồng phổ số đơn giản
hơn nhiều và sau đó sử dụng bộ lọc lấy mẫu xuống để khôi phục tốc độ lấy mẫu thấp hơn.
+ Tăng dải động và độ phân giải của chuyển đổi ADC
+ Tăng tần số lấy mẫu  mở rộng băng thông  giảm tạp âm trong bang tần hữu ích 
tăng dải động và độ phân giải của chuyển đổi ADC.
Lấy mẫu Undersampling
Còn gọi là lấy mẫu băng thông
 Điều chỉnh ĐL Shannon: Tần số lấy mẫu cần phải lớn hơn ít nhất hai lần độ rộng băng
tần (không cần là lớn hơn hai lần tần số tín hiệu lớn nhất).
 VD: Với TH nằm trong băng tần 45 MHz-55 MHz, sử dụng tần số lấy mẫu 20 MHz là
đủ (thay cho 110 MHz). Cần bộ lọc chống chồng phổ thông dải (thay cho bộ lọc thông
thấp).
CÂU 15: Trình bày các bộ chuyển đổi ADC kiểu SAR, FLASH, Tích phân
1. Chuyển đổi SAR: Các điện áp chuẩn Uref/2, Uref/4, Uref /8, …Uref/2N liên tiếp được
so sánh với điện áp chuyển đổi Uin.
Nếu điện áp chuẩn < Uin  gia số
được chấp nhận trong thanh ghi 
thanh ghi gửi tín hiệu 1 tới đầu ra.
Nếu điện áp chuẩn ≥ Uin  gia số
không được chấp nhận  thanh ghi
gửi tới đầu ra tín hiệu 0.

Một trong các ADC phổ biến nhất
 Độ phân giải 16 hoặc 18 bit
 Tốc độ 0.5-5 MSPS
 Thời gian chuyển đổi 1 s đối
với chuyển đổi 16 bit
13


 Phù hợp với hầu hết các ứng
dụng.

2. Chuyển đổi Flash
Các điện áp trọng số nhị phân
đồng thời được kết nối tới 2N
bộ so sánh (mỗi bộ so sánh
biểu diễn 1 bit).
Ưu điểm: Tốc độ chuyển đổi
nhanh
 Thời gian chuyển đổi rất
nhỏ (<1 ns) và có thể đạt tốc
độ lấy mẫu trên 1 GSPS
 Nhược điểm:
+ Giá thành cao do cần nhiều bộ so sánh (VD: Với ADC-8 bit, cần 255 bộ so sánh; Với
ADC-16 bit, cần 65535 bộ so sánh)  thường chỉ chế tạo tới 8-bit.
+ Độ phân giải kém (do số bit nhỏ).
+ Tiêu hao nguồn lớn (do có nhiều bộ so sánh).
3. Chuyển đổi tích phân
Thông thường là chuyển đổi tích
phân 2 sườn dốc (dual-slop)
 Ưu điểm: khả năng chống

nhiễu
 Nhược điểm: Thời gian
chuyển đổi dài
 Ứng dụng: Dùng trong các
vôn mét số DC (thường là 12 bit
hoặc 15 bit - hiển thị 3 ½ hoặc 4
½ số).
 Xu hướng được thay thế bằng ADC kiểu Delta-Sigma
Chuyển đổi hai sườn dốc (dual slope): 2 nửa chu trình.

14


 Nửa chu trình 1: U x được đưa
tới BTP trong thời gian cố định T1.
Xung đồng hồ (tần số fcl ) đưa tới
bộ đếm. Nửa chu trình đầu kết thúc
khi bộ đếm chỉ giá trị đã xác định,
VD N1=1000.
Điện áp ở đầu ra BTP tăng với độ
dốc cố định tới giá trị:

 Nửa chu trình 2: điện áp Uref (cực tích ngược với Ux ) được nối tới BTP và bộ đếm bắt
đầu đếm số xung đồng hồ. Điện áp ra BTP giảm tới thời điểm BSS phát hiện 0. Trạng thái
0 xuất hiện khi:
Số xung đếm được
do đó, trạng thái cuối cùng của bộ đếm phụ thuộc vào giá
trị điện áp chuyển đổi Ux , vào N1 (có thể cố định rất chính xác) và vào Uref ; không phụ
thuộc vào RC và tần số của bộ tạo dao động đồng hồ.
Ưu điểm: Khả năng loại trừ tạp âm AC

 Giả sử điện áp đo DC bị nhiễu bởi điện áp AC có dạng Uint=Umsin(t+)
 Sau khi tích phân

Nếu khoảng thời gian lấy tích phân T được cố định với T=2/  toán hạng thứ hai
(nhiễu AC) sẽ bằng 0. Tỷ số khử tạp âm RSNR
ADC tích phân hoạt động như bộ lọc chọn lọc, loại trừ
thành phần f=1/T và các hài của tín hiệu này. T thường
được cố định (20 ms)  cho phép loại bỏ tín hiệu 50 Hz và
các hài của nó.
 Thực tế, T thường được đồng bộ với tần số của điện áp
Nhược điểm của TP 2 sườn dốc: Thời gian tích phân dài
nguồn AC cung cấp.
 Khắc phục: chuyển đổi đa sườn dốc (3 hoặc 4 sườn dốc)
Kỹ thuật tích phân đa sườn dốc cải thiện tốc độ chuyển đổi (hoặc cả độ phân giải); tuy
nhiên, phức tạp hơn và cần hai điện trở chính xác.
Chu trình 2 (của dual-slop) được chia thành 2 bước:
 Bước 1: Uref đưa tới BTP có điện trở < R (VD: nhỏ hơn 100 lần)  thời gian giảm
điện áp ra của BTP ngắn đi 100 lần.
 Bước 2: Khi điện áp ra BTP đạt tới ngưỡng xác định  BTP lại được kết nối điện trở R
để phát hiện chính xác trạng thái 0.
15


Khắc phục trôi 0: áp dụng chức năng auto-zero.

4 chu trình: (1) đầu vào được ngắn mạch và điện trở được kết nối thay vì tụ điện
(chuyển mạch K4), C0 (được kết nối bởi chuyển mạch K5) được nạp tới điện áp bù. (2) và
(3) thường thực hiện hai sườn dốc: điện áp trên C0 bị trừ đi một cách tự động, tạo ra hiệu
chỉnh 0. (4) tụ điện bị ngắn mạch để loại bỏ điện áp đã nạp.
CÂU 16: Các tham số chính của chuyển đổi ADC

1•Tần số lấy mẫu và số bit
 Tần số lấy mẫu là quan trọng nếu tần số của TH xử lý (độ rộng băng tần) được
quan tâm
+ TS lấy mẫu không tự động có nghĩa rằng TS khảo sát ít nhất bằng một nửa TS lấy
mẫu.
 Số bít cho biết về độ phân giải.
+ Không có nghĩa là số bít (chiều dài của chữ số) tự động mô tả độ chính xác.
 Chỉ khi biết thêm các tham số khác (sai số, mức tạp âm, dải động) mới có đầy đủ
thông tin đầy đủ về chất lượng của ADC.
2• Các sai số phi tuyến chủ yếu
Sai số trôi không của BKĐ và Sai số tăng
ích
3. Sai số phi tuyến tích phân và vi phân
Sai số phi tuyến tích phân (INL): độ lệch
giá trị của hàm truyền thực khỏi đường
thẳng.

Sai số phi tuyến vi phân (DNL): các bước
lượng tử không bằng nhau (do lượng tử
hóa không chính xác)

4• Các tham số chất lượng
16


Chất lượng của bộ chuyển đổi tương tự số được mô tả bởi nhiều tham số.
 SNR (tỷ số tín trên tạp): Tỷ số giữa công suất (hoặc rms) của tín hiệu và công suất
(hoặc rms) của tạp âm.

SINAD (tỷ số tín hiệu trên tạp âm và méo): Tỷ số rms của tín hiệu sin với rms của tạp âm

cộng với tất cả các hài của tín hiệu.
THD (méo hài tổng): Tỷ số tổng rms của các hài với thành phần cơ bản.
MD (méo xuyên điều chế): Tỷ số rms của thành phần xuyên điều chế cho tín hiệu không bị
méo.
 Xảy ra khi tín hiệu đầu vào chứa hai tín hiệu có tần số f1, f2 và cùng biên độ. Sau quá
trình lấy mẫu, tạo ra các thành phần tần số là f1 - f2, f1 + f2, 2f1 - f2 ,…
 SFDR (dải động không có nhiễu giả): Tỷ số giá trị rms của thành phần tín hiệu cơ bản
với giá trị rms của thành phần nhiễu giả lớn nhất.
 Đáp ứng quá độ: Đáp ứng của bộ chuyển đổi với tác động đầu vào là hàm bậc thang.
 FPBW (băng thông công suất toàn phần): những điểm trên đặc tính tần số mà ở đó biên
độ của kết quả chuyển đổi được số hóa giảm đi 3 dB.
 Hệ số ENOB (số bít hiệu quả):
Trong một ADC lý tưởng, chỉ có sai số
lượng tử. Nhưng trong ADC thực tế,
khi tần số
tăng thì tạp âm và méo có thể là khá
đáng kể.
Đối với tín hiệu đầu vào hình sin, ENOB có thể được xác
định từ phương trình:
CÂU 17: Các kỹ thuật chuyển đổi tương tự DAC: DAC sử dụng trọng số, DAC sử
dụng R-2R ladder
1. DAC sử dụng điện trở trọng số
Mạch cộng xây dựng trên KĐTT.
 Các điện trở trọng số được dùng để phân
biệt các bit từ MSB đến LSB.
 Các chuyển mạch chuyển giữa điện áp
tham chiếu (Uref) và đất (bit HIGH hoặc bit
LOW).
 Nếu KĐTT là lý tưởng  điện áp ra tỷ lệ
với dòng điện tổng cộng ở đầu vào đảo của

bộ khuếch đại. ��� = −���ℎ
Nếu bit � tương ứng là 1  �� = �0
 Nếu bit � tương ứng là 0  �� =
0� (ground)
 �1 là MSB
17


 �� là LSB
 Ưu điểm: Tốc độ chuyển đổi cao.
 Nhược điểm: Các điện trở cần
phải có dải trị số rất rộng (Ví dụ:
chuyển đổi 20 bit cần sử dụng điện
b3 tương ứng với bit-3, b2 với bit-2, ...
trở chính xác 500 M cho MSB, 1
k cho LSB), trong đó các điện trở
có trị số nhỏ phải có ĐCX cao.
 Ứng dụng: Thường hạn chế thực hiện tới độ phân giải 8-bit.
2. DAC sử dụng R-2R Ladder
Mỗi bit điều khiển 1 chuyển mạch :
 Nếu bit = 1, chuyển mạch tương ứng được nối
tới đầu vào đảo (-) của KĐTT (trở kháng ∞).
 Nếu bit = 0, chuyển mạch tương ứng được nối
tới 0V (trở kháng 0). U0 – điện áp mẫu (điện áp
tham chiếu)

18


 Ưu điểm: Chỉ cần 2 loại

điện trở có trị số R và 2R;
Không yêu cầu các điện trở có
ĐXC cao.
 Nhược điểm: Tốc độ
chuyển đổi chậm hơn DAC
với điện trở trọng số.
Để tăng tốc độ chuyển đổi (tới
500 MSPS), ta có thể thay thế
chuyển mạch các điện trở bằng chuyển mạch các nguồn dòng  DAC lái dòng.
CÂU 18: Các tham số chính của chuyển đổi DAC
• Độ phân giải; Điện áp tham chiếu; Thời gian xác lập; Độ tuyến tính; Tốc độ chuyển đổi
• Sai số
1. Độ phân giải
Định nghĩa:
Lượng thay đổi
điện áp ra tương
ứng với sự thay
đổi nhỏ nhất của
đầu vào số
(LSB)
 Độ phân giải
của DAC phụ
thuộc vào số bit
2. Điện áp tham chiếu
Định nghĩa:
Điện áp mẫu sử
dụng để quyết
định mỗi đầu
vào số được gán
cho mỗi khoảng

chia điện áp.

3. Thời gian xác lập

19


Định nghĩa: Thời gian cần để tín
hiệu ra xác lập tới điện áp ra
mong muốn (trong phạm vi ±
ULSB)
 Bất kỳ sự thay đổi nào ở trạng
thái đầu vào sẽ không được phản
ánh ngay ở trạng thái đầu ra.
Luôn có một độ trễ về thời gian
giữa hai sự kiện.
4. Độ tuyến tính
Định nghĩa: Sai lệch giữa
đầu ra tương tự mong
muốn với đầu ra thực tế
trong toàn dải giá trị
mong đợi.
 Lý tưởng, quan hệ
giữa đầu vào số với đầu
ra tương tự của DAC
phải tuyến tính.
5. Tốc độ biến đổi
Định nghĩa: Tốc độ biến đổi 1 đầu vào số thành điện áp tương ứng ở đầu ra
 Tốc độ biến đổi phụ thuộc
 Tốc độ đồng hồ của tín hiệu vào

 Thời gian xác lập của bộ biến đổi
 Khi đầu vào số biến đổi nhanh, yêu cầu DAC có tốc độ biến đổi cao
6. Sai số của DAC
sai số phi tuyến (non-linearity error):
 Sai số phi tuyến vi phân
 Sai số phi tuyến tích phân
 Sai số do tăng ích (Gain Error)
 Sai số độ lệch (Offset Error)
 Sai số do sự không đơn điệu (Non-Monotonic Error)
 Sai số do quá trình chuyển mạch
a)sai số phi tuyến vi phân
Định nghĩa: Sai lệch giữa kích thước
bước điện áp lý tưởng bằng 1 LSB và
bước thực.

20


b. Sai số phi tuyến tích phân
Định nghĩa: Sai lệch giữa đầu ra DAC thực
tế so với đầu ra lý tưởng (INLopt = 0).

c. Sai số tăng ích
Định nghĩa: Sai lệch về độ dốc giữa
đầu ra DAC thực tế với đầu ra lý tưởng

d.Sai số độ lệch
Định nghĩa: Sai lệch không đổi về điện
áp giữa đầu ra thực tế với đầu ra lý
tưởng.

e. Sai số do sự không đơn điệu (non-monotonicity)
Không đơn điệu: Sự giảm điện áp đầu ra khi
tăng đầu vào số.

f. Sai số do quá trình chuyển mạch
21


Sai số do đột biến tăng ngắn trong trạng thái
chuyển tiếp (glitches)  gây nhiễu cho quá
trình xử lý tín hiệu
 Cần loại bỏ bằng các bộ lọc đặc biệt
(deglitcher) ở đầu ra của bộ chuyển đổi
hoặc bằng bộ trích-giữ mẫu (SH).
 Sai số do sự biến động theo thời gian (jitter) (a) Sai số do đột biến tăng ngắn; (b) Sai số
do biến động
CÂU 19: TRình bày biến đổi Furier nhanh FFT
Tính toán biến đổi Fourier N điểm đòi hỏi N2 phép toán nhân phức  các hệ thống thời
gian thực gần như không thực hiện phân tích này.
 Thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT) của Cooley và Tukey cho phép tính toán
nhanh hơn: Giảm số phép nhân từ N2 xuống còn 0,5Nlog2N.
 VD, để thực hiện DFT 1024 mẫu cần thực hiện 1.048.567 phép nhân và 1.047.120 phép
cộng, trong khi FFT chỉ đòi hỏi 5.120 phép nhân (khoảng 200 lần ít hơn DFT) và 10.240
phép cộng (khoảng 100 lần ít hơn).
FFT khai thác tính đối xứng và tính tuần hoàn của biến đổi Fourier để tăng hiệu quả
tính toán, nhờ đó giảm được một số lượng phép toán.
 Phương trình DFT được chia thành hai phần: dãy chẵn và dãy lẻ

Hệ số xoay (twiddle factor) xuất hiện ở cả

hai phần của phương trình  chỉ cần tính
một lần.
• Hệ số này có bốn giá trị khác nhau (với
N=8)  không cần tính chúng quá nhiều
lần.
• Tính toán biến đổi N điểm là khó  chia
thành vài dãy con và kết thúc ở DFT hai
điểm

22


Phân chia dãy dữ liệu có thể được thực
hiện trên miền thời gian (phân chia theo
thời gian) hoặc trong miền tần số (phân
chia theo tần số).

 Ví dụ: Tính FFT phân chia theo
thời gian với N=8, có thể xác
địnhDFT 8 điểm chỉ với 24 phép
nhân.

CÂU 20: So sánh biến đổi furier thời gian ngắn và wavelet
1. Biến đổi Fourier thời gian ngắn: Hạn chế của biến đổi Fourier:
 Không thể phân tích tín hiệu đồng thời trên miền thời gian và miền tần số  không phù
hợp khi phân tích các tín hiệu chuyển tiếp ngắn (short transition signal).
 Yêu cầu biến đổi có thể đảo ngược  chỉ chính xác cho các tín hiệu dừng (stationary)
 không phù hợp khi phân tích các tín hiệu biến đổi theo thời gian hoặc tần số.
 Giải pháp cho phân tích tín hiệu không dừng, thời gian ngắn: Biến đổi Fourier thời gian
ngắn STFT.

 Cửa sổ thời gian của tín hiệu phân tích được dịch theo thời gian, tức là tín hiệu phân
tích được nhân với hàm cửa sổ được dịch theo thời gian (phương pháp cửa sổ động MWM). Phương trình biểu diễn STFT với tín hiệu liên tục

23


Phương trình biểu diễn STFT với tín hiệu rời rạc

Hàm w(t) hoặc w(m) là hàm cửa sổ thời gian.
 Kết quả phân tích thời gian/tần số nên được biểu diễn theo hình ảnh 3D.
 Kết quả thường được biểu diễn theo hình ảnh 2D tần số/thời gian (ảnh phổ) F(t), có bổ
sung sự phụ thuộc của x(t) và X(F).
Hạn chế của STFT: Không thể phân tích tín hiệu tần số thấp và tần số cao với cùng độ bất
định.
 Nguyên nhân: Không thể biết chính xác biểu diễn thời giantần số của tín hiệu (nguyên
lý bất định của Heisenberg)
 Không thể biết thành phần phổ nào tồn tại ở một thời điểm nào đó. Chỉ có thể biết
khoảng thời gian t mà một băng tần  nào đó tồn tại.
 Do đó, nếu có thể xác định chính xác thời gian t thì không thể xác định chính xác
băng tần  , và ngược lại.
 Với STFT (sử dụng hàm cửa sổ thời gian có độ rộng không đổi), nếu cửa sổ thời gian là
hẹp (độ phân giải theo thời gian tốt), thì độ phân giải tần số kém, và ngược lại.
 Giải quyết: biến đổi Wavelet
2. Biến đổi Wavelet
Biến đổi Wavelet (WT) là sự phân giải một tín hiệu thành một tập các hàm cơ sở gồm cả
sự co, giãn và dịch một hàm mẹ (t) được gọi là wavelet (Daubechies, 1991).
 Biến đổi wavelet có thể
được xem là phép chiếu một
tín hiệu vào một tập các hàm
cơ sở được gọi là wavelet.

Các hàm cơ sở này cho phép
định vị trong miền tần số.
Biến đổi Wavelet có độ rộng
cửa sổ thời gian thay đổi
được.
 Kích thước cửa sổ có thể được chọn phù hợp nhất cho tín hiệu phân tích. B
 Biến đổi Wavelet sử dụng scale (mô tả sự thay đổi tỷ lệ của tín hiệu theo thời gian - nén
hoặc mở rộng tín hiệu).
Với Wavelet, tín hiệu không được tạo thành từ các hàm sin và cos mà từ một tập hữu hạn
các Wavelet được định nghĩa trước và hữu hạn theo thời gian.
 Các Wavelet được thay đổi trong miền tần số (nén hoặc giãn nở) và bị dịch theo thời
gian. Có các kiểu Wavelet khác nhau: Haar, Morlet, Daubechies, Coiflet, Symlet …
Biến đổi Wavelet liên tục được biểu diễn theo quan hệ sau:

 Biến đổi Wavelet rời rạc được biểu diễn theo quan hệ sau:
24


Trong biến đổi Wavelet rời rạc, tín hiệu
được lấy mẫu ở những điểm lựa chọn của
mặt phẳng t/s, ở đó scale được chọn là 2-s
và dịch Wavelet được chọn là 2-sk (Kiểu
lấy mẫuđôi - dyadic sampling).
Biến đổi Wavelet rời rạc có các thuật toán
số thực hiện biến đổi này nhanh và hiệu
quả. Ví dụ, thuật toán Mallat pyramid (mã
hóa băng con hoặc biến đổi Wavelet
nhanh FWT).
Nguyên lý phân giải của bộ lọc Wavelet
Tần số (theo radian) f=0 chia thành hai phần 0/2 và /2-. Phân giải

băng con được thực hiện
bằng cách đưa tín hiệu
qua hai bộ lọc: LPF cho
xấp xỉ thô, HPF cho
thông tin chi tiết.
Đáp ứng xung g(n) và h(n) của các bộ lọc
tương ứng với loại Wavelet được sử dụng để
phân tích.
 Thủ tục lọc được lặp nhiều lần sau khi lấy mẫu xuống tín hiệu bởi 2 và kế tiếp.
Biến đổi ngược Wavelet khôi khục tín hiệu biến thiên theo thời gian từ biểu diễn Wavelet
của nó.
Phân tích Wavelet và khôi phục tín hiệu
 Phương trình để khôi phục tín hiệu đã
biến đổi Wavelet:

CÂU 21: Trình bày về bộ lọc số FIR và IIR

25