Bài giảng Điều khiển từ xa - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

LỜI NÓI ĐẦU
Điều khiển từ xa là việc điều khiển ở một khoảng cách nào đó mà con người
khơng nhất thiết trực tiếp đến nơi đặt hệ thống. Khoảng cách đó tùy thuộc vào từng hệ
thống có mức độ phức tạp khác nhau, chẳng hạn như để điều khiển từ xa một phi
thuyền ta cần phải có hệ thống phát và thu mạnh, ngược lại, để điều khiển một trò chơi
điện tử từ xa ta chỉ cần một hệ thống phát và thu yếu hơn. Truyền dữ liệu không dây là
một mảng lớn trong điện tử thông tin, dữ liệu được truyền đi có thể là tương tự cũng
có thể là số. Trong truyền dữ liệu không dây, hiệu quả nhất vẫn là truyền bằng sóng
điện từ hay sóng Radio, bởi những ưu điểm là truyền ở khoảng cách xa, đa hướng, tần
số hoạt động cao.
Trong hơn 30 năm qua, những ngôi nhà tự động và nghành công nghiệp sản xuất
thiết bị điện tử dân dụng vẫn sử dụng các loại thiết bị điều khiển từ xa bằng tia hồng
ngoại (IR). Nhưng thiết bị điều khiển IR không phải là một giải pháp tối ưu nhất.
Phạm vi điều khiển bị hạn chế, thiết bị và bộ điều khiển phải trong tầm nhìn thẳng,
điều này có nghĩa là khi điều khiển phải nhằm thẳng vào thiết bị. Thiết bị phải được
đặt ở bên ngồi, khơng được để trong tủ kín. Nếu chúng ta muốn điều khiển một thiết
bị sử dụng công nghệ IR thì khi điều khiển chúng ta phải ở trong phòng đặt thiết bị và
trong một phạm vi nhất định. Ngoài ra đối với điều khiển từ xa bằng cách sử dụng tần
số vô tuyến (RF) bổ xung thêm những tính năng linh hoạt hơn trên cơ sở các tính năng
có sẵn trong bộ điều khiển IR. Bộ điều khiển từ xa bằng RF có thể điều khiển 2 chiều,
tốc độ truyền thông cao và không cần phải trên một tầm nhìn, tín hiệu cụ thể được
truyền qua tường và qua các tầng trong nhà. Điều khiển từ xa bằng RF là bộ điều khiển
đặc biệt thích hợp cho các thiết bị bên trong tủ hoặc từ phòng khác. Hơn nữa, bộ điều
khiển từ xa RF có thể sử dụng màn hình hiển thị tương tác được gắn trực tiếp trên bộ
điều khiển, vì thế mà ta có thể giám sát ngơi nhà tự động của mình, chọn chức năng
giải trí và các thơng số điều khiển. Bộ điều khiển RF cũng cho phép ta sử dụng để điều
khiển từ bất cứ nơi nào trong ngôi nhà của ta mà khơng cần phải đứng trước thiết bị
đó. Và hơn thế nữa là ứng dụng điều khiển từ xa vào robot cơng nghiệp. Robot cơng
nghiệp có thể giúp chúng ta vận chuyển và bốc dỡ hàng hóa một cách thuận tiện, an
toàn, hiệu quả, năng suất. Với các bộ điều khiển từ xa RF sẽ thay đổi cách chúng ta
tương tác với thế giới xung quanh cũng như cách chúng ta quan tâm đến môi trường.

Những đối tượng được điều khiển có thể ở trên khơng gian, ở dưới đáy biển sâu hay ở
một vùng xa xôi hẻo lánh nào đó trên mặt địa cầu. Thế giới càng phát triển thì lĩnh vực
điều khiển cần phải được mở rộng hơn. Việc ứng dụng điều khiển từ xa vào thông tin

i


liên lạc đã mang lại nhiều thuận lợi cho xã hội lồi người , thơng tin được cập nhật hơn
nhờ sự chính xác và nhanh chóng của q trình điều khiển từ xa trong đo lường từ xa.
Ngoài ra điều khiển từ xa còn được ứng dụng trong kỹ thuật đo lường. Trước đây
muốn đo độ phóng xạ của lị hạt nhân thì hết sức khó khăn và phức tạp nhưng giờ đây
con người có thể ở một nơi hết sức an tồn nào đó cũng có thể đo độ phóng xạ của lị
hạt nhân nhờ vào kỹ thuật điều khiển từ xa. Như vậy hệ thống điều khiển từ xa đã hạn
chế được mức độ phức tạp của công việc và đảm bảo an toàn cho con người. Trong
sinh hoạt hằng ngày của con người như những trò chơi giải trí (robot, xe điều khiển từ
xa…) cho đến những ứng dụng gần gũi với con người cũng được cải tiến cho phù hợp
với việc sử dụng và đạt mức tiện lợi nhất. Xuất phát từ những đặc trưng đó nhóm tác
giả đã nghiên cứu và biên soạn tập bài giảng điều khiển từ xa nhằm mục đích phục vụ
cho quá trình học tập và nghiên cứu của sinh viên Khoa Điện - Điện tử
Tập bài giảng này được viết theo chương trình học phần Điều khiển từ xa đã
được phê duyệt. Trong đó chương 1 giới thiệu khái quát về cấu trúc các hệ thống đo và
điều khiển từ xa. Chương 2 trình bày hệ thống mã và thiết bị mã và phân tích ưu nhược
điểm của từng loại mã. Chương 3 sẽ giới thiệu về các kênh thông tin liên lạc thường sử
dụng trong quá trình điều khiển từ xa, đồng thời cũng đưa ra những đánh giá về điểm
mạnh và yếu của mỗi loại kênh. Trong chương 4 sẽ trình bày những lý thuyết cơ bản
về truyền tin. Chương cuối sẽ đánh giá chất lượng và độ tin cậy của cả hệ thống. Trong
các chương cùng với lý thuyết đã đưa vào các ví dụ bài tập có lời giải. Cuối mỗi
chương có các bài tập củng cố lý thuyết.
Trong quá trình biên soạn, mặc dù đã cố gắng nhưng khơng tránh khỏi sai sót,
kính mong sự chỉ giáo của quý thầy, cô và bạn đọc.

ii


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... i
CHƯƠNG 1. CÁC HỆ THỐNG ĐO ĐIỀU KHIỂN TỪ XA ........................................ 1
1.1. Khái quát chung ....................................................................................................... 1
1.1.1. Hệ thống đo điều khiển từ xa ............................................................................ 2
1.1.2. Việc chọn phương pháp điều chế...................................................................... 3
1.1.3. Các đặc tính quan trọng của hệ thống đo xa ..................................................... 4
1.1.4. Tính tốn các đặc tính thống kê sai số của hệ thống đo xa liên tục và tuyến
tính (hệ thống dừng tuyến tính) .................................................................................. 6
1.1.5. Lựa chọn tối ưu chu kỳ rời rạc hoá trong hệ thống đo xa ................................. 9
1.2. Hệ thống đo xa tần số ............................................................................................. 11
1.2.1. Cấu trúc của hệ thống ..................................................................................... 11
1.2.2. Dạng tín hiệu ................................................................................................... 12
1.2.3. Các phương án đo tần số ở phía thu và ảnh hưởng của chúng trong việc
chọn các thông số của tín hiệu .................................................................................. 12
1.2.4. Chọn các thơng số của tín hiệu đối với hệ thống đo xa tần số dùng phương
pháp đếm trực tiếp .................................................................................................... 14
1.2.5. Lựa chọn tối ưu các thơng số tín hiệu đối với hệ thống đo xa tần số dùng
phương pháp đếm gián tiếp ....................................................................................... 15
1.2.6. Lựa chọn các thơng số của tín hiệu đối với hệ thống 1 kênh dùng phương
pháp đo tần số kiểu lấy trung bình. ........................................................................... 18
1.2.7. Chọn các thơng số của tín hiệu đối với HT đo xa tần số dùng cách đo tần
số bằng cách đo chu kỳ ............................................................................................. 19
1.3. Hệ thống đo xa thời gian-xung ............................................................................... 22
1.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống đo xa thời gian-xung ................................................ 22
1.3.2. Các dạng tín hiệu ............................................................................................ 23

1.3.3. Chọn thơng số của tín hiệu ............................................................................. 24
1.3.4. Chọn các thơng số của tín hiệu trong điều kiện tối ưu ................................... 27
1.4. Hệ thống đo xa mã - xung ...................................................................................... 29
1.4.1. Cấu trúc hệ thống ............................................................................................ 29
1.4.2. Các dạng tín hiệu ............................................................................................ 29
1.4.3. Chọn các thơng số của tín hiệu ....................................................................... 30
1.4.4. Chọn số dãy mã từ điều kiện tối ưu ................................................................ 33
1.5. Hệ thống đo xa thích nghi ...................................................................................... 34
1.5.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 34
1.5.2. Các đặc tính của việc cắt giảm thông tin ........................................................ 35
Câu hỏi chương 1: ......................................................................................................... 39
CHƯƠNG 2. MÃ VÀ THIẾT BỊ MÃ ............................................................................ 40
2.1 Khái niệm chung ..................................................................................................... 40
2.1.1 Yêu cầu của mã ................................................................................................ 40
iii


2.1.2 Phân loại mã .................................................................................................... 40
2.1.3. Quan hệ giữa khả năng chống nhiễu của mã với khoảng cách mã nhỏ nhất .. 42
2.1.4. Độ dư của mã và khả năng chống nhiễu ......................................................... 43
2.1.5. Phương pháp toán học biểu diễn mã tuyến tính ............................................. 44
2.2 Hệ thống các loại mã ............................................................................................... 45
2.2.1 Các mã đặc trưng ............................................................................................. 45
2.2.2 Các loại mã phát hiện sai ................................................................................. 51
2.2.3 Các loại mã phát hiện sai và sửa sai ................................................................ 52
2.3. Thiết bị mã hóa và dịch mã .................................................................................... 75
2.3.1 Thiết bị mã hóa ................................................................................................ 75
2.3.2. Thiết bị giải mã ................................................................................................... 78
Câu hỏi chương 2: ......................................................................................................... 79
CHƯƠNG 3. KÊNH LIÊN LẠC.................................................................................... 80

3.1. Đường dây trên không ........................................................................................... 80
3.2. Đường dây cung cấp điện ...................................................................................... 82
3.3. Kênh liên lạc radio ................................................................................................. 83
3.3.2. Các tính chất quang học của sóng vơ tuyến.................................................... 89
3.3.3. Các phương thức truyền lan sóng điện từ ....................................................... 91
3.3.4. Các phương pháp điều chế tín hiệu RF .......................................................... 94
3.3.5. Các đặc trưng về sóng điện từ ........................................................................ 94
3.3.6. Sơ đồ khối mạch điều khiển từ xa dùng sóng vơ tuyến .................................. 98
3.3.7. Sơ đồ khối máy phát: ...................................................................................... 98
3.3.8. Sơ đồ khối máy thu ......................................................................................... 99
3.3.9. Mạch phát RF dùng PT 2262 ........................................................................ 100
3.3.10. Mạch thu RF dùng PT 2272 ....................................................................... 100
3.4. Kênh liên lạc bằng cáp quang .............................................................................. 101
3.5. Kênh truyền tia hồng ngoại .................................................................................. 109
3.5.1. Ứng dụng tia hồng ngoại trong đo nhiệt độ .................................................. 109
3.5.2. Ứng dụng tia hồng ngoại trong phát nhiệt .................................................... 110
3.5.3. Ứng dụng tia hồng ngoại trong truyền thông. .............................................. 110
3.5.4. Ứng dụng tia hồng ngoại trong nhìn đêm. .................................................... 110
3.5.5. Nguyên lý thu phát hồng ngoại..................................................................... 111
3.5.6. Ví dụ về mạch thu phát hồng ngoại .............................................................. 113
3.6. Nhiễu trong kênh liên lạc ..................................................................................... 119
Câu hỏi chương 3: ....................................................................................................... 128
CHƯƠNG 4. CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT TRUYỀN TIN. ........................................ 129
4.1. Các đặc trưng cơ bản............................................................................................ 129
4.1.1. Tin tức, thơng báo, tín hiệu ........................................................................... 129
4.1.2. Lượng tử hóa................................................................................................. 131
4.1.3. Tin tức, các đặc trưng, đơn vị đo .................................................................. 133
iv

4.1.4. Entropi – số đo lường không xác định .......................................................... 135
4.1.5. Đặc trưng của phương pháp thống kê đo lường tin tức ................................ 138
4.2. Truyền tin trong kênh không nhiễu ...................................................................... 138
4.3. Truyền tin trong kênh có nhiễu ............................................................................ 140
4.4. Các phương pháp nâng cao độ chính xác truyền tin ............................................ 142
Câu hỏi chương 4: ....................................................................................................... 150
CHƯƠNG 5. ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐO – ĐIỀU KHIỂN TỪ XA ........ 151
5.1. Độ tin cậy là chỉ tiêu quan trọng nhất của hệ thống đo, điều khiển từ xa ............ 151
5.2. Ý nghĩa về độ tin cậy trong kỹ thuật .................................................................... 151
5.2.1. Định nghĩa về độ tin cậy trong kỹ thuật........................................................ 152
5.2.2. Đối tượng và nhiệm vụ của độ tin cậy .......................................................... 152
5.2.3. Quan điểm kinh tế của độ tin cậy ................................................................. 153
5.2.4. Những yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy ........................................................ 155
5.3. Các chỉ tiêu cơ bản để đánh giá độ tin cậy ........................................................... 157
5.3.1. Hỏng hóc, cường độ hỏng hóc ...................................................................... 157
5.3.2. Độ tin cậy, thời gian làm việc tin cậy trung bình thời gian làm việc cho
phép: ........................................................................................................................ 158
5.3.3. Thời gian làm việc tin cậy trung bình ........................................................... 158
5.3.4. Sản phẩm có phục hồi và sản phẩm không phục hồi .................................... 159
5.3.5. Xác suất làm việc không hỏng ...................................................................... 159
5.3.6. Cường độ hỏng.............................................................................................. 161
5.3.7. Các đặc trưng số của tính khơng hỏng .......................................................... 162
5.3.8. Quan hệ giữa cường độ hỏng với các quy luật phân phối tuổi thọ ............... 163
5.3.9. Các chỉ tiêu độ tin cậy của sản phẩm có phục hồi ........................................ 166
5.3.10. Các chỉ tiêu của tính lâu bền ....................................................................... 173
5.3.11. Các chỉ tiêu của tính lưu kho và vận chuyển. ............................................. 174
5.3.12. Các chỉ tiêu kinh tế của độ tin cậy. ............................................................. 174
5.4. Tính tốn độ tin cậy của hệ thống ........................................................................ 175
5.4.1. Độ tin cậy của sơ đồ nối tiếp ........................................................................ 175
5.4.2. Độ tin cậy của sơ đồ song song .................................................................... 176

5.4.3. Các biện pháp nâng cao độ tin cậy ............................................................... 176
5.4.4. Thông tin công nghiệp .................................................................................. 178
Câu hỏi chương 5 ........................................................................................................ 182
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 183

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa ......................................................... 1
Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát của hệ thống điều khiển từ xa ....................................... 2
Hình 1.3: Sơ đồ khối máy thu của hệ thống điều khiển từ xa ......................................... 2
Hình 1.4: Đồ thị lấy mẫu thời gian của hệ thống đo xa .................................................. 8
Hình 1.5: Biểu đồ điều chế hệ thống đo xa tần số......................................................... 11
Hình 1.6: Biểu đồ điều chế tín hiệu thay đổi theo thời gian ......................................... 12
Hình 1.7: Sơ đồ khối của HT đo xa thời gian-xung ...................................................... 23
Hình 1.8: Sơ đồ khối quá trình điều chế của HT đo xa thời gian-xung ........................ 23
Hình 1.9: Tín hiệu điều chế độ rộng xung..................................................................... 24
Hình 1.10: Dạng tín hiệu điều chế................................................................................. 25
Hình 1.11: Dạng tín hiệu trong kênh khơng nhiễu và có nhiễu .................................... 25
Hình 1.12: Lấy mẫu tần số của hệ thống đo xa thích nghi ............................................ 35
Hình 1.8: Sơ đồ khối của một mạch xấp xỉ bậc 0 ......................................................... 37
Hình 1.9: Đặc tuyến của một mạch xấp xỉ bậc 0 .......................................................... 38
Hình 2.1: Cơ chế chống nhiễu của mã .......................................................................... 41
Hình 2.2: Quá trình sửa sai của mã chống nhiễu .......................................................... 42
Hình 2.3: Sơ đồ đặc trưng của mã đường dây ............................................................... 45
Hình 2.4: Dạng sóng của các mã đặc trưng................................................................... 47
Hình 2.5: Dạng tín hiệu của mã..................................................................................... 48
Hình 2.6: So sánh sự khác biệt giữa mã AMI và mã B8ZS .......................................... 49
Hình 2.7: Mẫu tín hiệu vi phạm( violation) .................................................................. 50

Hình 2.8: Ghép cây trong mã Huffman ......................................................................... 66
Hình 2.9: Mơ tả các bước tạo mã của DES ................................................................... 73
Hình 2.10: Biểu diễn quá trình thực hiện mã hóa ......................................................... 74
Hình 2.11: Sơ đồ biểu diễn thiết bị biến đổi mã ........................................................... 75
Hình 2.12: Biểu diễn thiết bị biến đổi mã thường thành mã chu kỳ ............................. 77
Hình 2.13: Quá trình dịch mã chu kỳ ............................................................................ 78
Hình 2.14: Quá trình giải mã ......................................................................................... 78
Hình 3.1: Sơ đồ truyền tín hiệu điều khiển xa theo đường dây cung cấp ..................... 82
Hình 3.2: Các dạng phổ tần ........................................................................................... 84
Hình 3.2: Mặt sóng cầu từ nguồn đẳng hướng .............................................................. 88
Hình 3.3: Hiện tượng khúc xạ tại biên giới 2 môi trường ............................................. 89
Hình 3.4: Phản xạ sóng tại biên của 2 mơi trường ........................................................ 90
Hình 3.5: Nhiễu xạ sóng điện từ ................................................................................... 91
Hình 3.6: Sự cộng tuyến tính 2 sóng có pha khác nhau và sự giao thoa sóng .............. 91
Hình 3.7: Các phương thức truyền sóng ....................................................................... 92
vi


Hình 3.8: Sóng khơng gian và chân trời vơ tuyến .........................................................93
Hình 3.9: Hiện tượng sóng ống .....................................................................................94
Hình 3.10: Thu phát sóng điện từ ..................................................................................95
Hình 3.11: Mạch điện điển hình dùng tạo ra sóng mang RF, dùng anten cho phát vào
khơng gian, để liên thơng với các máy thu sóng xung quanh. ......................................96
Hình 3.12: Mạch cộng hưởng LC phát sóng điện từ .....................................................96
Hình 3.13: Phương thức điều khiển vơ tuyến ................................................................ 97
Hình 3.14: Sơ đồ khối mạch điều khiển từ xa dùng sóngvơ tuyến ............................... 98
Hình 3.15: Sơ đồ khối máy phát sóng vơ tuyến ............................................................ 98
Hình 3.16: Sơ đồ khối máy thu sóng vơ tuyến .............................................................. 99
Hình 3.17: Sơ đồ khối mạch phát vô tuyến 4 kênh với IC mã hóa PT2262 ................100
Hình 3.18: Sơ đồ mạch thu sóng vơ tuyến 4 kênh với IC giải mã PT2272 .................100

Hình 3.19 Cấu tạo các lớp cab quang ..........................................................................102
Hình 3.20: Các lớp bảo vệ cab quang ..........................................................................103
Hình 3.21: Các lớp Tight-buffer cab quang ................................................................103
Hình 3.22: Cấu tạo lõi cab ...........................................................................................103
Hình 3.23:Các kiểu truyền dẫn quang .........................................................................104
Hình 3.24: Phương thức truyền dẫn ............................................................................104
Hình 3.25: Các loại đầu dây nối cab............................................................................105
Hình 3.26: Cấu trúc bên trong sợi cab .........................................................................105
Hình 3.27: Bước sóng Wavelength .............................................................................106
Hình 3.28: Các kiểu đầu nối quang .............................................................................107
Hình 3.291: Đầu nối là ferrule .....................................................................................107
Hình 3.30: Đầu nối FC, SC, ST. PC ............................................................................107
Hình 3.31: Sơ đồ khối chức năng phần phát ...............................................................111
Hình 3.32: Sơ đồ khối chức năng phần thu .................................................................112
Hình 3.33: Sơ đồ chân IC phát PT2248.......................................................................113
Hình 3.34: Sơ đồ bộ phát PT2248 ...............................................................................114
Hình 3.35: Sơ đồ ma trận phím bấm ...........................................................................114
Hình 3.36: Sơ đồ chân của PT2249 .............................................................................116
Hình 3.37: Sơ đồ khối của PT2249 .............................................................................116
Hình 3.38: Sơ đồ khối Module LED thu tín hiệu hồng ngoại PIC 1018SCL .............117
Hình 3.39: LED thu tín hiệu hồng ngoại .....................................................................117
Hình 3.40.: Sơ đồ Mạch Schmitt Trigger ....................................................................118
Hình 3.41: Dạng sóng đầu ra Schmitt Trigger ............................................................118
Hình 3.42: Đồ thị biểu diễn độ suy hao .......................................................................120
Hình 3.43: Nhiễu xun kênh giữa hai sóng mang kề nhau ........................................125
vii


Hình 4.1: Tín hiệu được lượng tử hóa ......................................................................... 132
Hình 4.2: Đồ thị Entropi đạt cực đại ........................................................................... 137

Hình 4.3: Mơ hình nguồn sai ....................................................................................... 144
Hình 4.4: Sơ đồ hệ thống thơng tin có kênh ngược quyết định .................................. 149
Hình 4.5: Phát hiện sai ................................................................................................ 149
Hình 5.1: Những yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy....................................................... 157

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Quy luật mã hóa ............................................................................................ 48
Bảng 2.2: Các phần tử dư trong mã Hamming .............................................................. 56
Bảng 2.3: Biểu diễn các phần tử kiểm tra .....................................................................57
Bảng 2.4: Biểu diễn vị trí và các giá trị của các phần tử ...............................................58
Bảng 2.5: Biểu diễn đa thức sinh ...................................................................................63
Bảng 5.1: Biểu thức quan hệ giữa các hàm f(t), Q(t), R(t), và (t) ............................161
Bảng 5.2: Bảng tíng tốn các hàm f(N), Q(N), R(N) vàError! Objects cannot be
created from editing field codes.(N) ........................................................................166

ix



CHƯƠNG 1
CÁC HỆ THỐNG ĐO ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
1.1. Khái quát chung
Hệ thống điều khiển từ xa là một hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết bị từ
một khoảng cách xa. Truyền tin không dây là cách thức truyền tải tin tức, dữ liệu
thông qua hệ thống không dây như hồng ngoại, sóng điện từ .
Đối với truyền dữ liệu số thơng thường người ta phải mã hố tín hiệu truyền.

các tín hiệu số 0 hoặc 1 được đưa vào bộ truyền phát, nếu bộ phát là máy điều chế
ASK đơn giản thì mức 1 tương ứng là máy sẽ phát ra sóng điện từ, mức 0 tương đương
là máy khơng phát ra sóng điện từ .
Dựa vào tín hiệu on / off này mà máy thu sẽ đưa ra một mức logic tương ứng với
mạch phát. Tuy nhiên do kĩ thuật và công nghệ chế tạo hay điển hình một số kiểu
mạch khơng thể đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của việc truyền dữ liệu. Ví dụ
truyền tốc độ cao (máy thu khơng kịp giải điều chế , băng thông của máy thu quá nhỏ,
truyền bit với khoảng thời gian quá dài …v.v )
Bởi rất nhiều yếu tố nên trong truyền thơng có rất nhiều kiểu để khắc phục khi
truyền thông tin, đặc biệt trong RF (wireless communications).
Sơ đồ kết cấu của hệ thống điều khiển từ xa bao gồm:
Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức tín hiệu và phát đi.
Đường truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu.
Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua quá trình biến đổi,
biến dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thi hành.
thiết bị
phát

đường
truyền

thiết bị
thu

Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa
Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống điều khiển từ xa:
- Phát tín hiệu điều khiển.
- Sản sinh ra xung hoặc hình thành các xung cần thiết.
- Tổ hợp xung thành mã.
- Phát các tổ hợp mã đến điểm chấp hành.

- Ở điểm chấp hành (thiết bị thu) sau khi nhận được mã phải biến đổi các mã
nhận được thành các lệnh điều khiển và đưa đến các thiết bị, đồng thời kiểm tra sự
chính xác của mã mới nhận.

1


Tín hiệu
điều khiển

Điều
chế

Tín hiệu
sóng mang

Khuếch
đại phát

Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát của hệ thống điều khiển từ xa
Khuếch
đại thu

Giải điều
chế

Khuếch
đại

Chấp

hành

Hình 1.3: Sơ đồ khối máy thu của hệ thống điều khiển từ xa
Do hệ thống điều khiển từ xa có những đường truyền dẫn xa nên ta cần phải
nghiên cứu về kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và nhanh
chóng đáp ứng các yêu cầu đề ra.
1.1.1. Hệ thống đo điều khiển từ xa
Đó là một hệ thống đo cường độ tự động ở khoảng cách xa nhờ việc truyền tin
qua kênh liên lạc.
Khi thiết kế 1 hệ thống đo xa, cần chú ý nhất là làm sao cho bảo đảm để cho sai
số của phép đo phải nhỏ nhất - quá trình đo này con người khơng tham gia trực tiếp
của con người.
Sai số của phép đo thường do sự giảm tín hiệu và sự tồn tại của nhiễu (thay đổi
khí hậu……).
Hệ thống đo xa khác nhau tuỳ thuộc phương pháp tạo tín hiệu tức là phương pháp
điều chế và mã hoá.
Trong hệ thống điều khiển từ xa độ tin cậy truyền dẫn tin tức có quan hệ rất nhiều
đến kết cấu tin tức. Nội dung về kết cấu tin tức có hai phần: về lượng và về chất. Về
lượng có cách biến lượng điều khiển và lượng điều khiển thành từng loại xung gì cho
phù hợp, và những xung đó cần áp dụng những phương pháp nào để hợp thành tin tức,
để có dung lượng lớn nhất và tốc độ truyền dẫn nhanh nhất .
Để đảm bảo các yêu cầu về kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có các yêu
cầu sau:
- Tốc độ làm việc nhanh.

2


- Thiết bị phải an toàn tin cậy.
- Kết cấu phải đơn giản.

Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển cực
đại đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép.
1.1.2. Việc chọn phương pháp điều chế
Việc chọn phương pháp điều chế có liên quan đến thơng số cuả kênh liên lạc.
Ở khoảng cách gần (3-7)km , thường dùng đường dây trên không.
Ở khoảng cách 20km thường dùng đường dây cáp, dùng tín hiệu một chiều.
Sai số thường phụ thuộc vào sự biến động của các thông số của kênh liên lạc. Ví
dụ: điện trở dây ra phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, trong khoảng từ -40o C ÷ 40o C, điện
trở dây R d thay đổi 27%, sự thay đổi này dẫn đến sai số lớn khi truyền tín hiệu.
Trong hệ thống đo lường và điều khiển xa trong công nghiệp người ta dùng 3
phương pháp điều chế:
- Điều chế tần số và tần số xung: hệ thống đo dùng phương pháp này gọi là hệ
thống đo xa tần số.
- Điều chế độ rộng – xung; thời gian – xung => hệ thống thời gian.
- Điều chế mã – xung => hệ thống số. Xét kết cấu và phân loại hệ thống đo xa:
a, Kết cấu một hệ thống đo xa có kết cấu như sau:

z=k1x1
y1=k2z
y2 =kk y1

I=k3 y2
y =k4 I
Từ đó cho thấy rằng độ chính xác của x2 phụ thuộc vào ki.
- Nếu ki thay đổi δ% thì dẫn đến thay đổi độ chính xác của phép đo x2 là δ%.
Hiện nay thường khống chế khoảng 1%.
Về mặt kinh tế: 1 hệ thống đo xa khâu đắt nhất là dây liên lạc.

3

Về tính thực tế: trong hệ thống đo xa thường dùng hệ thống nhiều kênh. Trong đó
gồm có cả đo lường xa, tín hiệu điều khiển xa, kiểm tra từ xa.
b. Phân loại
- Hệ thống tương tự: trong hệ thống này người ta thiết lập quan hệ liên tục giữa x
1 và độ sâu điều chế: M=kx1.
- Hệ thống số : Trong hệ thống này sử dụng phương pháp lượng tử hoá theo mức
năng lượng và rời rạc hoá theo thời gian.
Các thông số được truyền ở dạng mã nhị phân hay mã khác-Hệ thống này được
dùng rộng rãi do các ưu điểm sau:
- Độ tin cậy cao
- Kết nối được với máy tính
- Chống nhiễu tốt do dùng mã sữa sai
- Xử lý gia cơng tín hiệu số ít sai số hơn
1.1.3. Các đặc tính quan trọng của hệ thống đo xa
a. Đặc tính quan trọng nhất là sai số
- Sai số tuyệt đối: ∆ = x2 − x1
- Sai số tương đối: % = ∆/x 100%
- Sai số tương đối quy đổi:

Trong đó:
x1: giá trị thực
x2: giá trị đo được
xmax, xmin: giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất
Sai số tổng gồm hai thành phần
- Sai số cơ bản: là sai số được xác định trong điều kiện tiêu chuẩn: điện áp, tần
số, nhiệt độ môi trường 20oC + 3oC, độ ẩm (30 ÷ 80)%, khơng có tác động bên ngoài
như từ trường, điện trường ……
Sai số này chủ yếu do nguyên lý làm việc, cấu trúc, công nghệ, chế tạo….
- Sai số phụ :là sai số do sự biến động của điều kiện làm việc tiêu chuẩn: áp, tần

số thay đổi, nguồn cung cấp, nghiệt độ môi trường………
- Nếu hệ thống có n kênh nối tiếp sai số thi sai số tổng bình quân phương là

(1.1)

4


Một nguồn gây sai số quan trong nhất là nhiễu; sai số tương đối do nhiễu sinh ra
theo công thức:

(1.2)
Trong đó :

(1.3)
T:thời gian quan sát

(1.4)
σ∑ đặc trưng cho tán xạ của sai số xung quanh giá trị trung bình của nó, cịn sai
số trung bình là độ lệch trung bình của dụng cụ đo trong điều kiện có nhiệt và khơng
có nhiễu.
Khi nhiễu ít có thể bỏ qua σ∑, cịn khi nhiễu mạnh có thể bỏ qua σTB
b. Thời gian xác lập tỉ số T:
Là khoảng thời gian giữa thời điểm thay đổi đột ngột đại lượng đo và thời điểm
mà chỉ số đạt đến vị trí mới với một sai số cho phép (thường là ±2% so với giá trị ổn
định).
Trong cơng nghiệp:thời gian này vào khoảng T =(3÷ 5)s
c. Sai số động:
Do có q trình q độ mà giá trị cần đo có thể lệch khởi giá trị thực. Sai số gây
ra do quá trình quá đọ gọi là sai số động. Nó thường sinh ra do các khâu: lọc, quán

tính, tích phân trong hệ thống .
Đối với hệ thống đo số: sai số do quá trình lượng tử hoá được xác định:
Nếu gọi ∆xk: bước lượng tủ hố
xmax − xmin = khoảng thay đổi của thơng số x
n = xmax − xmin /∆xk số bước lượng tử hố
Vậy sai số:

d. Cộng tín hiệu:
Trong hệ thống đo xa, xuất hiện việc cộng tín hiệu đo (ở phần phát hay thu)

5


Ví dụ: khi đo cơng suất tổng, tổng lưu lượng nước, thường ta tiến hành cộng tín
hiệu ở phần phát đẻ giảm số kênh Trong quá trình cộng, các đại lượng đo A 1, A2
………. A n thường được biến đổi thành những đại lượng khác: x1, x2 … xn.
Tức là: x1 = f1(A1) x2 = f 2(A2) ……… xn = f n(An)
Để cộng các tín hiệu ta thực hiện:
(1.5)
Với quan hệ x và A là tuyến tính:
xi = i (Ai ) = ki Ai với ki là hằng số
Nếu các ki bằng nhau: k1 = k2 = .... = kn = k
Thì k được gọi là hằng số cộng:

(1.6)
Để thực hiện phép cộng này, người ta dùng một đại lượng trung gian: dòng, áp,
số xung, dòng 1 chiều, dòng xoay chiều: điện dung, điện trở, điện cảm. Hiện nay
người ta thực hiện cộng tín hiệu qua máy tính kết hợp với việc gia cơng (lấy trung bình
tích phân, tích phân…)
1.1.4. Tính tốn các đặc tính thống kê sai số của hệ thống đo xa liên tục và tuyến

tính (hệ thống dừng tuyến tính)
a. Sai số động:tín hiệu đo biểu diễn một quá trình ngẫu nhiên x(t)
Sx(ω) là hàm mật độ phổ của tín hiệu vào x(t)
Sy là hàm mật độ phổ của tín hiệu ra y(t)
Thì (ω) = Sy W1(jω). Sx(ω)

(*)

W1(jω): đặc tính tần số phức của hệ thống đo

giả sử mơ hình khơng có trễ

6


W1(jω)=G(jω) −1 (2)
Từ (*) có thể viết :
(1.7)
Tính phương sai D của sai số động bằng cách lấy tích phân của hàm mật độ phổ:
(1.8)
Khi 1 quá trình ngẫu nhiên dừng tác động lên đầu vào của 1 hệ thống tuyến tính
thì sai số động có kỳ vọng tốn học=0 (M( ∆ d )=0).
b. Sai số tĩnh
Giả sử có sai số tĩnh

ở đây :

Các hàm ∆t (t)và ∆d (t) là độc lập, vậy:
D(∆∑) = D(∆t) + D(∆d)
Nếu bằng thí nghiệm ta tính được

Dt (∆∑) và Dd (∆t) => tính được D(∆d) vì M(∆d) = 0 => M(∆∑)= M(∆t)
Ví dụ: giả sử mật độ phổ của quá trình TN đều trong khoảng tần số giới hạn từ
- Wgh ÷ +Wgh, thì :

(1.9)
c. Sai số động trong hệ thống đo xa có rời rạc hố tín hiệu
Bây giờ ta tính sai số của 1 hệ thống đo xa phân kênh theo thời gian, trong hệ
thống này có sự rời rạc hố tín hiệu. τ là khoảng thời gian trễ của tín hiệu xi khi truyền
qua kênh

7


Hình 1.4: Đồ thị lấy mẫu thời gian của hệ thống đo xa
Sai số do việc sắp xấp xỉ hoá là sai số động, trong q trình rời rạc hố theo thời
gian.
Ta xét trong khoảng thời gian (ti +τ) ÷ (ti+1 +τ) => đây là khoảng thời gian tương
ứng với 1 nấc thang của đường y(t). Trong khoảng này ta xét tại thời điểm t nào đó. Từ
sơ đồ hệ thống ta có phương trình ∆d = y − x. Vậy ta có sai số xấp xỉ hố:
∆d (ti +τ ) = y(ti +τ ) − x(ti +τ )
Nhưng : y(ti +τ ) = x(ti ) (trùng) => giữa đường x(t) và y(t)
Vậy: ∆d (ti +τ ) = x(ti ) − x(ti +τ )
kỳ vọng toán học của biểu thức:

(1.10)
Ta có :

(1.11)
Vậy : D(x) = Rx (0)
Khi t nằm trong khoảng τ → (τ + T ): ta lấy trung bình theo chu kỳ và lấy tán xạ

của sai số xấp xỉ hố, ta có:

8


(1.13)
1.1.5. Lựa chọn tối ưu chu kỳ rời rạc hoá trong hệ thống đo xa
Độ tác động nhanh của 1 hệ thống đo xa phụ thuộc chủ yếu vào các thông số của
kênh liên lạc.
Khi cần giải tần của kênh được ấn định và cường độ nhiễu đã biết thì xi cần phải
có độ dài nhất định. Độ dài này càng lớn thì việc truyền giá trị xi càng chính xác, sai số
càng nhỏ. Nhưng nếu muốn tăng độ dài xi trong kênh liên lạc thì cần tăng chu kỳ lặp
lại Tc của các giá trị rời rạc. Trong hệ thống có n kênh, dùng phân kênh theo thời gian
thì chu kỳ này cần phải lớn hơn tổng độ dài của n tín hiệu và những tín hiệu phụ (tín
hiệu đồng bộ). Nhưng khi tăng T thì tăng sai số động Như vậy việc tăng T dẫn đến
giảm sai số tĩnh D(∆t ), nhưng làm tăng sai số động (sai số rời rạc hố) D(∆d )
Từ đồ thị ta có đường D(∆t), D(∆d) → Từ đó ta có đường D(∆∑). Đường này cực
tiểu tại A, từ A gióng xuống trục T, ta có T0. Vậy T0 là giá trị tối ưu của chu kỳ rời rạc
hố.

Độ lệch bình qn của đại lượng cần đo:
(1.14)
Trở lại ví dụ trên:
ta có:

Nhưng:
(1.15)

9

Đặt:

Vậy:

Ở đây fgh và Tgh là tần số và chu kỳ giới hạn của quá trình x(t). Vậy thì nếu sai
số cho phép là 1% thì khi xấp xỉ hố kiểu bậc thang 1 chu kỳ của sóng hài cao nhất của
quá trình.

Hình trên là đồ thị của hàm phân bố Rx - Phần gạch chéo là D(∆d )
Đối với hệ thống tác động gần: τ = 0
Ví dụ: giả sử q trình ngẫu nhiên x(t) có mật độ phổ:

Thì:
(1.16)

(1.17)
Đặt:

ta có:

10


(1.18)

Nếu cho biết sai số cho phép của quá trình xấp xỉ hố, A, ωgh, thì tính được chu kì
rời rạc hố T.
Theo giá trị phương sai tuyệt đối, khơng thể đánh giá được chất lượng của việc
xấp xỉ hoá - Vì vậy người ta sử dụng tỷ số giữa độ chênh lệch bình qn của sai số xấp

xỉ hố và độ lệch trung bình.
1.2. Hệ thống đo xa tần số
1.2.1. Cấu trúc của hệ thống
Trong hệ thống đo tần số, bộ phát cho ra tín hiệu xoay chiều hay tín hiệu xung có
chu kỳ được điều chế bởi tín hiệu cần đo (ĐCTS-ĐCTSX) Khi truyền trên kênh liên
lạc có thể dùng thêm 1 loại điều chế khác (ĐCTS-ĐCBĐ), (ĐCTS-ĐCTS) … Nhưng
thông thường người ta chỉ kể loại điều chế đầu là đủ. Ở phần thu, ngoài những giải
điều chế trung gian, hệ thống do xa tần số phải kể đến giải điều chế cuối cùng. Trong
cấu trúc hệ thống đo xa tần số: Tín hiệu cần đo x → Dịng điện I'. sau đó qua bộ điều
khiển M1 cho ra tần số f1- f1 được điều chế tiếp qua M2 với tần số mang cao để truyền
qua kênh. Ở phía thu, bộ giải điều chế DM2 thu tín hiệu f2 tạo ra tín hiệu có tần số f1
(âm tần). Sau đó tiếp tục giải điều chế DM1 tạo thành dòng điện I”. Dòng này qua chỉ
thị để chỉ báo kết quả. Biểu đồ điều chế như sau:

Hình 1.5: Biểu đồ điều chế hệ thống đo xa tần số
DM1, DM2 khác nhau do giải tần làm việc, khác nhau, tần số điều chế củng khác
nhau M1, DM1 cần làm việc tuyến tính và chính xác. Để kết quả đạt được điều này thì độ
tác động của thiết bị bị giảm một ít. Ngược lại M2, DM2 có độ tác động nhanh lớn hơn,

11


điều này làm giảm độ chính xác và tuyến tính. Tần số f thường lớn hơn tần số tín hiệu x
khoảng 100 lần, độ tác động nhanh của M1 không cao lắm (tần số fx khoảng vài Hz).
1.2.2. Dạng tín hiệu
a. Dạng điều chế 1
Ta xét tín hiệu ra sau M1. Đối với điện tử cơng suất thì tín hiệu mang hình sin
được điều chế theo tần số
f = f0+ Kx(t)
Tín hiệu ra U1(t) có dạng:

U1(t) = υ1m Sin(2π∫ f1dt )
Đây là tín hiệu thay đổi theo thời gian do f1 thay đổi theo thời gian.

Hình 1.6: Biểu đồ điều chế tín hiệu thay đổi theo thời gian
b. Dạng điều chế 2
Đây là dạng điều chế tần số xung. Tín hiệu mang là 1 dãy xung có dạng bất kì
(thơng dụng là xung vng). Có 2 loại xung:
1. Xung có độ dài ts khơng đổi. (ĐCTSX1)
2. Xung có tỷ số T/ts =2 (Loại ĐTCTSX2). Loại này gần giống loại ĐCTS xoay
chiều.
Cả 2 loại độ dài xung phải nhỏ hơn 1/2fgh với fgh tần số shenon
1.2.3. Các phương án đo tần số ở phía thu và ảnh hưởng của chúng trong việc chọn
các thơng số của tín hiệu
a. Dùng mạch vi phân và tách sóng biên độ:
Nếu ta có tín hiệu U1(t) = U1m Sin(2π∫ f1dt ) vi phân U1(t):
du1/dt = 2πf1υ1m Cos (2π∫f1t )=U2(t)
Đây là hàm điều hồ có biên độ phụ thuộc vào f1 (2πυ1m )

12


Để đo f1 ta dùng bộ tách sóng theo biên độ
υ2m =2υ1mf
Đầu ra bộ tách sóng này ta mắc 1 chỉ thị đo áp được khắc độ theo tần số f1:
υ2m =kf (k=2πυ1m )

Phương pháp này cho phép nhận được độ tác động nhanh tương đối lớn. Nhưng
chú ý là υ1m = hằng số.
Khi có nhiễu, việc tách sóng sẽ thay đổi nhiều (làm cho đạo hàm thay đổi khi qua
0→dẫn đến thay đổi biên độ U2(t) gây ra sai số cho phép đo f1.

b. Đo tần số bằng chỉ thị số
Phương pháp này cho sai số do nhiễu nhỏ. Nhưng lại xuất hiện sai số do lượng tử
hoá
c. Tạo xung có điện tích khơng đổi ở mổi chu kỳ
Ở phương pháp này, người ta tạo ra các xung có diện tích khơng đổi ở dầu mỗi
chu kỳ . Sau đó lấy trung bình các xung bằng 1 phần tử qn tính, mà hằng số thời
gian của nó lớn chu kỳ của tín hiệu nhiều lần. đo bằng dụng cụ tương tự.
d. Đo chu kỳ
Ta có: N = a. T
Vì
f = f +Kx → T = 1/f
Nên

Để nhận được quan hệ tuyến tính với x , ta biến đổi như sau:

Phương pháp này có ưu điểm là độ tác động nhanh cao. Việc đo T có thể tiến
hành cả chu kỳ T hay

1
T
2

13


Nhược điểm:
Phải tiến hành phép biến đổi ngược
Sai số lớn do tác động của nhiễu: do nhiễu chu kỳ đo từ T→T’.
Sai số sẽ là ∆T = T − T'.
Để khắc phục có thể tiến hành đo mT, nhưng như vậy thì độ tác động nhanh giảm

và sai số tĩnh nhỏ đi m lần, sai số động tăng lên. Do đó có thể chọn m sao cho sai số
tổng là nhỏ nhất.
1.2.4. Chọn các thơng số của tín hiệu đối với hệ thống đo xa tần số dùng phương
pháp đếm trực tiếp
Ta khảo sát mối quan hệ giửa các thông số của tín hiệu và sai số do việc đo tần số
f bằng chỉ thị số dùng phương pháp đếm trực tiếp (đếm

1
T trong khoảng thời gian
2

TC).
Thời gian

1
1
nếu lấp đầy TC (không nhất thiết phải là một số chẵn của các
T là
2
2f

1
T đó) một số lượng xung, và số xung mà bộ đếm đếm được là:
2

Nếu có sai số lượng tử(± 1 xung), thì N càng lớn, sai số này càng nhỏ. Nếu trong
khoảng tần số fmin ÷ fmax ta có sai số tương đối quy đổi được tính theo cơng thức

Dưới tác dụng của nhiễu, tín hiệu bị méo , dẫn đến có sai số phụ làm N ≠ 2 f TC là
1 đơn vị, và độ lệch bình quân phương của sai số này sẽ không như nhau đói với tất cả

các khoảng giá trị của f. Nó sẽ tăng theo khi f tăng (theo quy luật tuyến tính) Như vậy:
cần phải khảo sát sai số này. Khi đo f bằng dụng cụ đo số thì sai số do lượng tử đã bao

14


trùm cả sai số do méo tín hiệu. Do đó trong trường này nó có thể bỏ qua. Từ biểu thức
δn ta thấy: muốn giảm δn thì phải tăng TC điều này làm giảm độ tác động nhanh. Đối
với hệ thống đo 1 kênh: T C là thời gian của 1 lần tính
Đối với hệ thống nhiều kênh (phân kênh theo thời gian) thì mỗi T C tương ứng với
một tín hiệu, mà ta có n tín hiệu suy ra ta có nTC . Ngồi ra cịn 1 phần của Tc để đồng
bộ (khoảng lTC ). vậy chu kỳ lặp lại của tín hiệu là :
TS =(n+l)TC
Khi tăng TC để giảm δ n thì dẩn đến tăng TS → điều này làm cho sai số động tăng
lên. Do đó theo biểu thức (1) tốt nhất là tăng hiệu tần số: fmax ÷ fmin giới hạn của nó là
fmin = 0 ; fmax = fgh. Với fgh là tần số giới hạn mà kênh liên lạc cho qua được.
Trong thực tế hệ thống đo xa được xác định trước kênh liên lạc , vì thế biết trước
fgh thì suy ra được fmax. Nếu cho trước δn thì sẽ tìm được TC theo cơng thức (1)→ từ đó
theo cơng thức (2) tính được TS nếu biết n, l. Cũng có thể cho trước δn, TS, TC, n,
l→tính fmax → sau đó chọn kênh liên lạc tương ứng.
1.2.5. Lựa chọn tối ưu các thơng số tín hiệu đối với hệ thống đo xa tần số dùng
phương pháp đếm gián tiếp
Vấn đề được đặt ra là:
- Các thông số của kênh liên lạc đã biết
- Các đặc tính động của q trình đo x(t) đã biết. Vấn đề cần giải quyết là: tính
các giá trị tối ưu TC, TS mà với các giá trị này ta nhận được sai số tổng (phương sai của
sai số tổng) là nhỏ nhất.

Ví dụ : Giả sử ta có n! q trình đo x(t) có cùng hàm phân bố dạng:

15