Bộ khuếch đại đồng bộ và các ứng dụng trong xử lý tín hiệu thiết bị bay

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (849.23 KB, 7 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

BỘ KHUẾCH ĐẠI ĐỒNG BỘ VÀ CÁC ỨNG DỤNG

TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU THIẾT BỊ BAY

Đỗ Tuấn Cương*, Trần Tuấn Nghĩa

Tóm tắt: Bài báo trình bày nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại đồng bộ 
(KĐĐB) hiện đại, phân tích các ứng dụng trong xử lý tín hiệu thiết bị bay, xây dựng 
mơ hình mơ phỏng để khảo sát đặc tính trong các dạng và chế độ hoạt động. Trên 
cơ sở nghiên cứu và mô phỏng, thiết kế, thử nghiệm mạch điện bộ KĐĐB phục vụ 
thiết kế thiết bị nhạy pha kiểu 165-ПФ trong thiết bị kiểm tra 150-ПКH.

Từ khóa: Thiết bị bay, Xử lý tín hiệu, Bộ khuếch đại đồng bộ.

1. MỞ ĐẦU

Bộ khuếch đại đồng bộ (KĐĐB) được sử dụng để phát hiện và đo các tín hiệu
xoay chiều (AC) rất nhỏ, tới cỡ vài nano vôn, thậm chí khi bị bọc trong tạp lớn hơn
hàng nghìn lần. Bộ KĐĐB sử dụng kỹ thuật được biết tới như là bộ tách sóng nhạy
pha (TSNP) để lọc lấy thành phần tín hiệu tại một tần số và pha chuẩn định trước.
Tín hiệu, tạp tại các tần số khác tần số chuẩn bị loại bỏ [1].

Tạp, trong thực tế, tồn tại trên toàn bộ dải tần tín hiệu. Các nghiên cứu cho thấy
tại dải tần số biến đổi chậm, tạp chủ yếu từ các nguồn nhiệt (tạp Johnson), tại dải
tần cao hơn nguồn tạp đến từ các tạp ngắn, tạp 1/f , tạp trắng cường độ ổn định
[2].Tạp ảnh hưởng mạnh tới chất lượng tín hiệu, nhất là ở vùng biến đổi chậm, yếu
hơn tại các dải tần cao. Tuy nhiên, phần lớn các tín hiệu lại ở tần số thấp. Để đấu
tranh với tạp trong kỹ thuật thường áp dụng nguyên tắc chuyển dịch tín hiệu lên
dải tần cao hơn bằng điều chế. Để khôi phục tín hiệu, phía máy thu có hệ thống
giải điều chế nhằm tách tín hiệu tại tần số điều chế, tạp tại các tần số khác bị loại
bỏ. Bộ KĐĐB được sử dụng cho mục đích đó.

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
2.1.Mơ tả tốn học của bộ KĐĐB

Cơ sở lý thuyết của bộ KĐĐB dựa trên lý thuyết về hàm tương quan các tín
hiệu tuần hồn. Bộ KĐĐB có thể phát hiện tín hiệu và đo được các tham số của nó
bằng sử dụng hàm tương quan, nhờ đó, có thể tách được tín hiệu rất nhỏ bị trùm
hồn tồn trong tạp. Hàm tương quan hai tín hiệu tuần hồn có dạng:

     

, sin .sin

kT
AB

R kT t t dt

kT  

 



  (1)

Giới hạn trên của tích phân là kT, trong đó T là chu kỳ của tần số ω, k là số
nguyên để xác định thời gian tích phân hữu hạn. Biểu thức (1) là biểu thức giải
thích nguyên lý của bộ KĐĐB. Bộ KĐĐB xác định hàm tương quan R đó.

Khảo sát chi tiết hơn bộ KĐĐB về mặt kỹ thuật. Giả sử tín hiệu vào bộ KĐĐB
dạng hình sin với A là biên độ, f1 là tần số, có tạp cộng thêm N(t) có dạng như sau:

g t( )Asin(2f t1)N t( ) (2)

Các bộ KĐĐB được cấp tín hiệu chuẩn dạng xung vng có tần số f2 có nguồn

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

2
1

( ) sin[(2 1)(2 )]

n
B

f t n f t 









  (3)

Trong đó, B là biên độ tín hiệu, n là số bậc các hài thành phần, f2 là tần số tín

hiệu chuẩn dạng xung vuông, φ là dịch pha điều chỉnh được từ người sử dụng bên
trong bộ KĐ đồng bộ. Q trình tách tín hiệu là trộn hai tín hiệu với nhau cho nên

tín hiệu ra của bộ TSNP có dạng:

   
 







 



 
1 2
0

1 2 1 2

0 0

2
0

4 1

( ) sin(2 ) ( ) . sin (2 1)(2 )

2 1

2 1 2 1

cos 2 (2 1) ) (2 1) cos 2 (2 1) ) (2 1)

2 1 2 1

4 1

( ) sin (2 1)(2 )

2 1

n

n n

n

B

U t A f t N t n f t
n

AB AB

f n f t n f n f t n

n n

B

N t n f t

n
  

   
 

 



 
 


 
     

 
        
 
 
    

 



(4)

Biểu thức (4) có thể được ước giản bằng bằng các biện pháp kỹ thuật như sau.
Số hạng thứ hai chứa tổng các tần số sẽ bị lọc khi qua bộ lọc thông thấp (LTT),
xem hình 1.

Hình 1. Sơ đồ khối bộ KĐĐB.

Nếu ta coi các tín hiệu là đồng bộ về tần số tức là f1=f2. Khi đóbiểu thức của

U(t) được ước giản như sau:

 

0 0

2 1 4 1

( ) cos[4 (2 1) ] ( ) sin (2 1)(2 )

2 1 2 1

n n

AB B

U t n ft n N t n ft

n   n  

 
 
 
 
       
   



(5)

Số hạng thứ hai của biểu thức (5) chứa tạp, gây phức tạp cho xử lý. Nếu tạp là
tín hiệu tần số đơn nó có thể đi qua bộ LTT. Nếu tạp có một dải tần số hoặc các hài
bậc cao của tín hiệu cần đo thì đầu ra của tạp và tín hiệu chuẩn sau khi TSNP sẽ có
mức DC và sẽ phản ánh tới đầu ra bộ KĐĐB sau khi đi qua bộ LTT. Điều đó dẫn
tới tạp ở đầu ra tăng, thành phần hài đầu ra bị ảnh hưởng và tăng dẫn tới khả năng
nén tạp của bộ TSNP bị suy giảm. Phương pháp xử lý là thêm bộ lọc dải trước bộ
TSNP để bỏ số hạng cuối của (5). Khi đó (5) có thể viết thành:

2 1

( ) cos[4 (2 1) ]

2 1

n
AB

U t n ft n

n  







  





(6)
Tín hiệu ra từ bộ TSNP sau đó đi qua bộ LTT để loại bỏ các thành phần tần số
cao, tức là ta chỉ quan tâm tới thành phần tín hiệu khi n=0, đi tới đầu ra bộ KĐĐB
bộ như một tín hiệu DC cần nhận được. Khi đó từ Từ (6) ta có:

U t( ) 2ABcos


 (7)

Cơng thức (7) chính là biến đổi tốn học của bộ KĐĐB trong chế độ đồng bộ.
Nếu các tín hiệu khơng đồng bộ về tần số, f1≠f2, thì bộ KĐĐB hoạt động trong

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

U t( ) 2ABcos 2 ( 1 f f2)t


  (8)
Ta có thể rút ra một số kết luận như sau về bộ KĐĐB:

Trong chế độ đồng bộ khi ω1=ω2 (f1=f2):

Nếu biên độ B của tín hiệu chuẩn cố định, φ=0 thì tín hiệu ra từ bộ KĐĐB là
một tín hiệu DC mà giá trị của nó tỷ lệ tuyến tính với biên độ tín hiệu A: U(t)=k1A

với k1=(2B)/π;

Nếu giữa tín hiệu cần đo và tín hiệu chuẩn có góc lệch pha, nếu các biên độ tín
hiệu A, B được chuẩn hóa thì tín hiệu ra của bộ KĐĐB còn tỷ lệ tuyến tính với
cosin góc pha φ giữa nó và tín hiệu chuẩn: U(t)=k2cosφ với k2=(2AB)/π ;

Trong chế độ không đồng bộ, khi ω1≠ω2. điện áp ra tỷ lệ với các biên độ và
cosin hiệu các tần số.

Căn cứ vào các phân tích trên, sơ đồ khối một bộ KĐĐB có dạng như hình 1.
2.2. Mơ tả ngun lý hoạt động, các chế độ hoạt động của bộ KĐĐB

Nguyên lý hoạt động của bộ KĐĐB được giải thích trên hình 2a. Tới các đầu
vào là tín hiệu điều chế thu được và tín hiệu chuẩn dạng xung vng. Các tín hiệu
được cấp tới bộ nhân làm việc như các khóa điện tử. Có hai khóa điện tử M1, M2.
Các khóa Mx được điều khiển bằng tín hiệu chuẩn và đảo của nó.

Tín hiệu chuẩn điều khiển khóa Mx sao cho nó nối tới đầu vào nào mà tín hiệu
tại thời điểm đó dương. Khả năng đó chỉ xảy ra khi tín hiệu chuẩn đồng bộ với tín
hiệu đầu vào. Góc dịch pha giữa tín hiệu chuẩn và tín hiệu vào là φ. Khi φ=0o, tại
đầu ra của khóa ta thu được tín hiệu dạng chỉnh lưu hai bán kỳ, hình 2b. Tiếp theo,
tín hiệu đi qua bộ lọc thơng thấp (LTT) để làm phẳng điện áp được chỉnh lưu. Tại
đầu ra bộ lọc điện áp sẽ bằng 2/πUc.

(a) (b) (c)

Hình 2. Sơ đồ cấu trúc và giải thích nguyên lý làm việc bộ KĐĐB (a, b); 
Đặc tính tần số của bộ KĐĐB (c).

Nếu φ=180o thì tín hiệu ra thay đổi cực tính do bộ khóa chỉ cho qua các điện áp
âm. Nếu φ= 90o thì khóa sẽ cho cả tín hiệu âm và dương đi qua, hình 2b. Tại đầu ra

bộ LTT tín hiệu sẽ bằng khơng. Phân tích sơ đồ với φ bất kỳ dẫn tới kết luận rằng
tại đầu ra bộ LTT tín hiệu bằng 2/π(Uccosφ). Đó là tính chất phụ thuộc vào pha của

KĐĐB. Nó có thể làm việc như một bộ TSNP. Nếu cùng với một bộ KĐĐB đã cho
cấp ra đầu ra tín hiệu bằng 2/π(Uccosφ), sử dụng thêm một bộ khác giống thế

nhưng pha tín hiệu chuẩn dịch so với tín hiệu chuẩn bộ thứ nhất 90o, thì tại đầu ra
bộ KĐĐB thêm này sẽ có tín hiệu bằng 2/π(Ucsinφ). Nhờ vậy, bộ KĐĐB có khả

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

Ta xem xét hoạt động của bộ KĐĐB trong chế độ không đồng bộ. ω1 là tần số

của tín hiệu đầu vào, ω2 là tần số tín hiệu chuẩn, khi đó lệch pha giữa hai tín hiệu

là φ=(ω1-ω2)t. Kết quả là tại đầu ra bộ KĐĐB thu được một tín hiệu xoay chiều

với tần số hiệu. Trên hình 2c cho thấy đặc tính phổ của một bộ KĐĐB [3]. Các
cộng hưởng được quan sát thấy tại hiệu tần số 0 tức là ω1=ω2, tiếp theo tại các tần

số 3ω2, 5ω2 … Phổ tín hiệu ra của bộ KĐĐB theo tần số như vậy gây khó khăn cho
việc sử dụng bộ KĐĐB. Để khắc phục, trước bộ KĐĐB phải có một hệ thống chọn
tần số (bộ lọc dải) để chế áp các dải tần khơng mong muốn (hình 1).

Nếu bộ KĐĐB làm việc trong chế động đồng bộ, tính chất chọn lọc của nó xuất
hiện đối với tín hiệu đã được tách. Bộ KĐĐB thường được dùng hơn trong chế độ
đồng bộ. Để làm việc đó cần có tín hiệu chuẩn đồng bộ kèm theo. Trong chế độ
không đồng bộ, tại đầu ra nhận được tín hiệu hiệu các tần số.

3. ỨNG DỤNG BỘ KĐĐB TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU THIẾT BỊ BAY 
VÀ ĐO KIỂM THAM SỐ

Hai lý do thực tế để sử dụng bộ KĐ đồng bộ trong kỹ thuật là: khả năng phát
hiện và đo các tín hiệu nhỏ trên nền nhiễu; để TSNP (khả năng này thường được sử
dụng trong các ứng dụng kỹ thuật như các bộ điều khiển). Ứng dụng của KĐĐB
trong thiết bị (TB) bay đa dạng. Ta khảo sát mơ hình của khối tự động lái TB bay
“I” [5], xem hình 3a, bằng công cụ mô phỏng mạch điện Proteus. Bộ KĐĐB làm
việc trong chế độ không đồng bộ. Bộ KĐĐB có cấu trúc kinh điển (như hình 1)
nhưng cấu tạo từ linh kiện điện tử mới. Bộ nhân được xây dựng trên vi mạch
820XA6. Mô phỏng cho vi mạch 820XA6 là U1, các bán dẫn Q1, Q2 và các linh
kiện thụ động lân cận. Bộ LTT trên U3.

(a) (b)

Hình 3. Sơ đồ bộ KĐĐB của khối tự động lái TB bay Igla (a); 
Kết quả mơ phỏng hoạt động (trích màn hình ô xi lô) (b).

(a)

(b)
(c)

(d)

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

Mô phỏng hoạt động của bộ KĐĐB bằng cấp tới các đầu vào tín hiệu “Signal”
100 Hz, tín hiệu “Synch” 115 Hz (tia 1 và 2 hình 3b). Hiệu 15 Hz đại diện cho tốc
độ quay quanh thân của TB bay. Qua bộ KĐĐB ta thu được tín hiệu hình sin 15 Hz
để điều khiển máy lái (tia 4 hình 3b). Đây là ví dụ điển hình của ứng dụng bộ
KĐĐB trong điều khiển TB bay.

Một ví dụ khác về bộ KĐĐB hoạt động trong chế độ đồng bộ. Sơ đồ hình 4 là
của bộ KĐĐB trong khối УСС khí tài ZSU-23 [6]. Sơ đồ gồm hai bộ nhân Q1, Q3

và Q2, Q4 được điều khiển ngược pha. Tín hiệu ra của chúng được cộng trên R12.
Tín hiệu vào “Signal” và tín hiệu đồng bộ “Synch” đều có tần số 100 Hz. Khi mơ
phỏng, pha tín hiệu “Signal” so với “Synch” thay đổi. Khi “Signal” và “Synch”
đồng pha ta có dạng sóng trên hình 4a, khi ngược pha, trên hình 4c, khi lệch pha
90o, trên hình 4d. Tín hiệu ra của bộ KĐĐB trong khối УСС khí tài ZSU-23 hồn
tồn phụ thuộc vào pha hai tín hiệu đầu vào.

Để phát hiện và đo lường các tín hiệu nhỏ, các thiết bị dựa trên các bộ KĐĐB
được sử dụng. Ví dụ thiết bị SR510 và SR530 của Stanford Research Systems
(SRS), xem hình 5a. Các thiết bị của SRS để đo tín hiệu nhỏ, độc lập nên có cấu
tạo phức tạp. Thiết bị nhạy pha 165-ПФ nằm trong tổ hợp đo kín được sử dụng để
đo kiểm tham số khối điện tử cơ cấu phóng tổ hợp TB bay, xem hình 5b, nên có
cấu tạo đơn giản hơn. Kỹ thuật analog với thế mạnh về xử lý các tín hiệu cực nhỏ
nên cả hai thiết bị trên đều dựa trên các bộ KĐĐB kiểu analog.

(a)

(b)

Hình 5. Thiết bị SR510 và SR530 của SRS (a), 
thiết bị 165-ПФ trên giá thử 150-ПКH (b).

4. XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH CỦA BỘ KĐĐB VÀ MƠ PHỎNG 
4.1. Xây dựng các mơ hình Matlab Simulink và mơ phỏng

4.1.1. Mơ hình Matlab Simulink cơ bản của bộ KĐĐB

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

hiệu ra sau bộ LTT và KĐ “Gain2”. Khi tín hiệu và tín hiệu chuẩn trùng pha (hình
5b), tại đầu ra bộ nhân ta thu được dạng tín hiệu “bát úp” dương. Sau LTT ta có giá
trị pha đo được bằng “+1”. Khi pha tín hiệu và đồng bộ lệch 180o (hình 6c) thì tại

đầu ra TSNP có tín hiệu dạng “bát úp” âm. Sau LTT ta có giá trị pha đo được bằng
“-1”. Khi tín hiệu và đồng bộ lệch pha 90o, hình 6d, thì tại đầu ra TSNP ta thu được
tín hiệu AC dạng hình sin bị cắt pha tại 90o, qua bộ LTT ta có tín hiệu bằng “0”.

(a) (b)

Hình 6. Mơ hình Matlab Simulink của một bộ KĐĐB (a); Kết quả mô phỏng làm 
việc bộ KĐĐB: Khi tín hiệu và tín hiệu chuẩn trùng pha (a); nghịch pha (b);

lệch pha 90o (c).

Kết luận: Với mơ hình bộ KĐĐB tại hình 6a, các kết quả mơ phỏng tại hình
6b,c,d, đã làm sáng tỏ nguyên lý hoạt động của bộ KĐĐB được phân tích và minh
họa tại hình 2. Với biên độ tín hiệu vào khơng đổi, giá trị tín hiệu ra tỷ lệ với độ
lệch pha giữa tín hiệu chuẩn và tín hiệu vào.

4.1.2. Mơ hình Matlab Simulink cải thiện

Từ mơ hình cơ bản của bộ KĐĐB, ta xây dựng mơ hình bộ KĐĐB để khảo sát
khả năng tách tín hiệu nhỏ trên nền nhiễu gồm có: máy phát điều chế; bộ KĐĐB
và các máy đo, hình 7.

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

(a) (b)

Hình 8. Kết quả mơ phỏng mơ hình bộ KĐĐB khi tín hiệu vào khơng nhiễu (a); khi 
tín hiệu vào có tạp mạnh (b); Phổ tín hiệu vào (c); phổ tín hiệu ra (d).

Máy phát phát tín hiệu điều chế biên độ-pha tín hiệu 100 Hz với sóng mang
10kHz. Máy phát điều chế có thể cộng thêm tạp trắng để khảo sát khả năng lọc
nhiễu của bộ KĐĐB. Dạng tín hiệu tạo giả có dạng trên hình 8a (tia2) khi khơng có
tạp, hình 8b (tia2) khi cộng thêm tạp. Bộ KĐĐB có cấu trúc như trên hình 6a cịn
có thêm mạch phối hợp đầu vào gồm bộ LTT và bộ lọc thông cao (LTC), bộ KĐ
đầu vào, xem hình 7. Để quan sát hoạt động của bộ KĐĐB ta ngồi máy hiện sóng
“Scope” còn sử dụng thêm 2 máy đo mật độ phổ “Average Power Spectral
Density” để quan sát phổ tín hiệu đầu vào và đầu ra. Ta nối lần lượt các tín hiệu
đầu vào gốc tới tia 1, tín hiệu máy phát điều chế tới tia 2, tín hiệu sau TSNP của bộ
KĐĐB tới tia 3 và tín hiệu ra của bộ KĐĐB tới tia 4 của máy hiện sóng “Scope”.
Nối các đầu ra của máy phát điều chế và của bộ KĐĐB tới các máy đo mật độ phổ.
Ta tiến hành mơ phỏng. Kết quả mơ phỏng thể hiện trên hình 8a,b,c,d.

</div>