Slide thiết bị ngoại vi và kỹ thuật ghép nối chương 6 anhanalog interfacing

Ch 6. Analog Interfacing
•
•
•
•
•
•

In this Chapter:
Analog Signal Interface Overview
Analog Electronics - Conditioner
Digital to Analog Converters
Analog to Digital Converters
DAS - SCADA - DCS/QCS

Ch6 Analog

1

6.1. Analog signal Interface Overview:
• Là hàm của 1 (hoặc
nhiều) biến độc lập, đại
lượng vật lý theo thời
gian: như tiếng nói, nhiệt
độ... theo thời gian:
A=f(t,h)
• Xuất hiện liên tục trong
khoảng thời gian t0 - t1
• Giá trị biến thiên liên tục
trong khoảng biên độ từ
A0 đến A1 , có thể đa trị.

Ch6 Analog

2

1
CuuDuongThanCong.com

/>

6.1. analog
signalInterface
interface overview:
6.1. Analog
signal
Overview:

Trong thực tế: Rời rạc hóa
Trong Máy tính số, thơng tin thu về :
Rời rạc về thời gian
Rời rạc về giá trị
=> để máy tính thu thập, cần phải 'rời rạc hóa' các tín
hiệu về thời gian và giá trị, dùng thiết bị chuyển đổi
ADC tạo ra các tín hiệu số, để:
Xử lý, cất vào kho số liệu
Truyền gửi đi xa
Tái tạo lại hay tổng hợp tín hiệu: dùng thiết bị DAC
tạo lại các tín hiệu analog.
Ch6 Analog

3

Hình 6.02a. Mơ hình ghép nối tín hiệu analog
Ch6 Analog

4

2
CuuDuongThanCong.com

/>

Hình 6.02-b. Mơ hình Hệ Đo lường - Điều khiển số
Ch6 Analog

5

• Process:
– Là các q trình cơng nghệ như: dây chuyền xeo giấy; phối-trộnnghiền-nung clinker => sản xuất cement; dây chuyền luyện-nungcán thép, sản xuất-trộn phân bón NPK, các nhà máy phát điện...

• Sensors:
– Là vật liệu/thiết bị dùng để chuyển đổi các đại lượng vật lý không
điện từ thế giới thực (T, RH, p, L, v, a, F, pH,..) thành tín hiệu điện
(u, i, R, f)
– Vật liệu: do đặc tính tự nhiên của vật chất – ví dụ RTD Pt100, cặp
nhiệt điện, piazo (titanate-bary), tenzometric; Cặp nhiêt Chromel –
Alumel => 40uV/oC…
– Thiết bị: có sự gia cơng/chế tác – ví dụ LM135 precision
temperature sensor, bán dẫn
– Self generating và non generating

• Transducer: dùng để biến đổi tín hiệu từ dạng W này sang
dạng W khác.
• Conditioners:
– Vì tín hiệu từ sensors thường rất nhỏ, có thể có nhiễu và phi tuyến
=> có mạch điện tử analog để xử lý tín hiệu: khuếch đại, lọc nhiễu,
bù phi tuyến... cho phù hợp.
Ch6 Analog

6

3
CuuDuongThanCong.com

/>

• MUX: analog multiplexer – bộ dồn kênh
– Inputs: n bit chọn kênh, có 2n kênh số đo analog, đánh số từ
0..2n-1;
– Output: 1 kênh chung thông với 1 trong số 2n inputs và duy
nhất;
– Như vậy chỉ cần 01 hệ VXL/MT và 01 ADC vẫn thu thập
được nhiều điểm đo cơng nghệ

• Trích mẫu và giữ - Sample & Hold:
– Dùng để trích mẫu của t/h khi có xung sample (100s ns.. vài
us) và giữ nguyên giá trị của t/h trong khoảng thời gian lâu
hơn để ADC chuyển đổi được ổn định;
– Chỉ dùng trong các trường hợp tín hiệu biến thiên nhanh
tương đối so với thời gian c/đ của ADC;
– Nâng cao độ chính xác và tần số của th.

Ch6 Analog

7

• ADC: analog to digital convertor:
– Rời rạc hóa t/h về thời gian và số hóa t/h – lượng tử hóa
– Có nhiều phương pháp/tốc độ/địa chỉ ứng dụng của
chuyển đổi

• Central system: hệ nhúng/MT:
– CPU, mem, bus, IO port, có thể kết nối với CSDL, net;
– thu thập và xử lý số đo.

• DAC: digital to analog convertor
– Biến đổi tín hiệu số => liên tục về tg nhưng vẫn rời rạc
về gt;
– Nhiều loại: số bit/1 hay 2 dấu/tốc độ...

Ch6 Analog

8

4
CuuDuongThanCong.com

/>

• Mạch điện tử analog:
– Có nhiều kiểu chức năng tùy thuộc ứng dụng:
• Lọc – tái tạo, tổng hợp âm thanh;

• Khuếch đại để đến các cơ cấu chấp hành;
• Cách ly quang học đề ghép nối với các thiết bị cơng suất lớn
(motor, breaker, ...)

• Actuators: các cơ cấu chấp hành
– Là 1 lớp các thiết bị để tác động trở lại dây chuyền
công nghệ;
– Cơ học: motor (3 phase Sync/Async, single phase, dc,
step) như robot, printer’s motor, FDC/HDC motors...
– Điều khiển dòng năng lượng điện: SCR (thyristor),
Triac, Power MOSFET, IGBT...
– Điều khiển dịng chất lỏng/khí/gas: valves (percentage,
ON/OFF valves)
Ch6 Analog

9

H. 6.2c.
Mơ hình hệ
DCS
Distributed
Control
System

Ch6 Analog

10

5
CuuDuongThanCong.com

/>

H. 5.02d. Mơ hình hệ SCADA
Ch6 Analog

Supervisory – Control – And Data Acquisition System

11

6.2. analog electronics: chuÈn hãa tÝn hiÖu

Operational Amplifiers - OpAmps - Khuếch
đại thuật toán để tạo các bộ conditioners –
chuẩn hóa tín hiệu
Analog Switches & Analog Multiplexers
Reference Voltage Sourcers - nguồn áp chuẩn
Sample & Hold - trích mẫu và giữ
Converssion Errors - Sai số chuyển đổi
...

Ch6 Analog

12

6
CuuDuongThanCong.com

/>

6.2. analog electronics: 6.2.1. Opamp

Là vi mạch khuếch đại, nối
galvanic, xử lý th từ 0Hz.
Tín hiệu gồm:
2 chân tín hiệu Inv. Inp và Non
Inv. Input
Chân Output
Nguồn cấp: +Vcc, -Vcc( Gnd)
Chỉnh Offset.
Có thể có thêm chân nối tụ bù
tần số

H603. Operational
Amplifier (OpAmp)

Ch6 Analog

13

6.2.1. OPAMP: ĐẶC ĐIỂM OPAMP

Xử lý tín hiệu dc (0 Hz up)
Hệ số khuếch đại lớn, từ kilo... Mega... and even more...
(GBW - Gain - band width Product, unit @ MHz)
Trở vào lớn vài k đến 1012 , trở ra nhỏ, 10s đến
100s, tốt cho các mạch ghép nối analog, phối hợp trở
kháng.
Hình 6.04.
Thiết bị 2 cửa

Ch6 Analog

14

7
CuuDuongThanCong.com

/>

6.2.1. OPAMP: ĐẶC ĐIỂM OPAMP
Nguồn cấp dải rộng, 1 hoặc 2 dấu: 3Vdc to 18Vdc
Khuếch Vi sai (Differential Amplifier), loại trừ nhiễu tốt =>
CMRR (Common Mode Rejection Ratio - hệ số khử nhiễu đồng
pha lớn) up to 120dB: K x (V1-V2)
Band width/ Slew rate: Băng thông/ Tốc độ tăng điện áp tối đa
phía Output khi cửa vào có bước nhảy đơn vị
UOffset: Khi cửa vào =0 mà cửa ra khác 0. Điện áp trôi theo
thời gian và nhiệt độ => chỉnh Uoffset/ bias current
ICs:
Linear Monolithic: A741 (Fair Child), LMx24s...(NS)
Linear FET: TL 081/ 082/ 084 (TI), LF356/357/347..(NS)
Linear Hybrid: LH0024/ 0032 (NS-Hi Slewrate)
Instrumentation OpAmp: LM725/ LH0036/ 0038/ 0084 (NS)
Ch6 Analog

15

Hình 6.05a. Analog Comparator, dùng trong ADC

Ch6 Analog

16

8
CuuDuongThanCong.com

/>

Hình 6.05b. Nói thêm: cho mạch điều khiển đóng cắt

Ch6 Analog

17

Hình 6.05c
Ch6 Analog

18

9
CuuDuongThanCong.com

/>

Hình 6.05d, hay dùng vì độ ổn định cao
Ch6 Analog

19

Hình 6.05e – Ưd: DAC, dịch trục, bù zero…
Vout=-[(Rf/R1)V1 + (Rf/R2)V2 + … + (Rf/Rn)Vn]
Nếu chọn Rf=R1=R2=…=Rn =>
Vout=-(V1+V2+…+Vn)
Ch6 Analog

20

10
CuuDuongThanCong.com

/>

H 6.05f: Differential apmlifier – dùng trong CN, hs KĐ cao –
thường chọn 5-20 lần, khử nhiễu đồng pha…
Ch6 Analog

21

Hình 6.05-g. Instrumentation Ampl. Rin>>>, trôi nhỏ,
khử nhiễu ĐF>>… 2 tầng:
KĐ vào vs ra vs, hệ số từ 10 – 100 lần
KĐVS: vào vs ra đơn cực, 5-20lần
Ch6 Analog

22

11
CuuDuongThanCong.com

/>

Hình 6.05-h, dùng trong các ADC tích phân 2 sườn dốc,
có thời gian CĐ chậm, độ phân ly, CX cao, rẻ
Ch6 Analog

23

Hình 6.05-j, Active filter, Ưd trộng xử lý/lọc nhiễu
fc mà tại đó biên độ tín hiệu giảm 0.707
2nd order, -40dB/dec, biên độ th giảm 100 lần khi tần
số tăng 10 lần
Ch6 Analog

24

12
CuuDuongThanCong.com

/>

Hình 6.05-k, giống như low pass
Xd các mạch:
Band pass, thơng 1 dải
Notch, chắn 1 dải
Ch6 Analog

25

Hình 6.05-l. Mạch lặp lại tín hiệu (Follower),

Biến đổi nguồn t/h có nội trở lớn thành nguồn sđđ có nội trở
nhỏ,
Loại trừ điện trở (điện áp rơi) trên các mạch trung gian – ví
dụ như loại bỏ RON của các khóa analog.
Ch6 Analog

26

13
CuuDuongThanCong.com

/>

Hình 6.05-n. i/ U Converter - ghép nối dac out
Thường dùng với các DAC – Current Output
types.
Ch6 Analog

27

Một số lưu ý khi dùng OpAmp
• Hệ số kđ được chọn tùy thuộc các mạch:
– Mạch kđ thông thường (đảo dấu và không đảo dấu: vài
lần đến 10 lần), nếu cần hs kđ tổng lớn thì dùng nhiều
tầng => ổn định và dễ dàng kiểm soát
– Mạch khuếch đại vi sai, H6.05f, từ 5 – 20 lần
– Mạch kđ đo lường (instrument) dăm chục- trăm lần,
H6.05g, tầng Vào Vi sai – Ra Vi sai: 15 – 100 lần, tầng
Vào Vi sai – Ra Đơn cực: 10 đến 30.
– Lưu ý: chọn HSKĐ càng lớn:

• Băng thơng giảm bấy nhiêu lần
• Điện trở vào giảm bấy nhiêu lần
• Độ ổn định của mạch giảm: trôi zero theo thời gian, nhiệt độ…
Ch6 Analog

28

14
CuuDuongThanCong.com

/>

Case studies 1. LM335 Cond.
• Dùng mạch cộng để dịch trục. Ví dụ: Sensor nhiệt độ bán
dẫn LM335 precision temperature sensor, @10kđ:
– Range:
• Continuosly -40oC … +100oC,
• Intermittent mode upto 120oC

– Sensitivity: nếu cấp dòng từ 0,5..5mA =>10mV/oK, @ 0oC =>
2,73V; 100oC => 3,73V.
– Nếu muốn đo theo oC, muốn khai thác tối đa độ phân li =>
phải dịch trục, trừ đi 2,73V. Tùy thuộc vào ADC Input Voltage
sẽ khuếch đại mấy lần.
• Ví dụ: đối với ADC input=0..5V, thì nên chọn Analog in= 0.5..4.5V để
tránh tràn, gây sai số lớn nên để 0,5V
– Nếu ADC Input Voltage 0.. 5V => sẽ dùng mạch KĐ -5 lần.
Như vậy mới khai thác triệt để được độ phân ly của ADC
– Bài tập: Sơ đồ trang sau, tính gía trị các R để output Voltage:

0.5..4.5V
Ch6 Analog

29

Case study 1: LM335 conditioning circuit
Ch6 Analog

30

15
CuuDuongThanCong.com

/>

Sơ đồ LM324/TL084/LF347 Quad OpAmp IC

Ch6 Analog

31

Case study 2: Loadcell/Pressure
Sensor Cond.
• Loadcell được chế từ tấm/cục thép đặc biệt, dán
cầu điện trở - Wheaston Bridge.
• Dùng 4 nhánh R là các Tenzo metric resistance thì
độ nhạy sẽ tăng gấp 4 lần.
• Tùy kết cấu tấm/cục thép sẽ cho tải trọng max là:
1kg, 5kg, 10kg…30.000kg.
• Việc tơi luyện thép, dán điện trở lên loadcell là bí

quyết.
• Tenzo metric R?
• Chú ý công suất của RT để không cấp Vcc quá
cao=> cháy RT
Ch6 Analog

32

16
CuuDuongThanCong.com

/>

Case study 2: Loadcell Conditioning Circuit
Ch6 Analog

33

Case study 3: Pt100 sensor
• Pt100 là RTD, Resistance Thermo Device,
nhiệt điện trở Platin đo được T cao, có
• R=100Ohm @ 0OC
• ΔR/ΔT = 0,39%/OC
• Xây dựng mạch chuẩn hóa tín hiệu –
conditioner, để có Output = 0,5..4,5Vdc,
nhiệt độ đo từ 0..500OC
• Gợi ý: Wheaston Bridge, Constant current
sourcer…có bù điểm zero
Ch6 Analog

34

17
CuuDuongThanCong.com

/>

Ch6 Analog

35

6.2.2. Analog Switches & Multiplexers: a. Switches

Dùng cặp transistor FET bù
kênh p và kênh n => dẫn
dòng ac
R(on) từ 100 .. 1.5 k
Off channel Leakage
Current: 100 pA .. 1 nA =>
Khơng dùng để khóa tín hiệu
áp q thấp
Biên độ tín hiệu:
VssTần suất ON/OFF : ..109s/s
ICs: CD 4052/ 53, LF11331
Ch6 Analog

Hình 6.06. Symbol of
Analog SPDT switch
36

18
CuuDuongThanCong.com

/>

6.2.2. analog switch & multiplexer: b. Multiplexers

H×nh 6.07. Functional Block Diagram Analog MUX

Ch6 Analog

37

6.2.2. analog switch & multiplexer: b.MUX

2n switches nối chung 1 cực
n bit chọn kênh => 2n kênh, 1 trong số 2n kênh được chọn
trong 1 thời điểm.
Chức năng MUX và DeMUX
Có tín hiệu Inhibit - cấm tất cả các kênh
Biên độ tín hiệu:
Vss tượng 'xuyên kênh' (Cross-talk)
Tần số tín hiệu : ... MHz…GHz
Dòng điện nhỏ, cỡ A => thường dùng mạch follower để
loại trừ Ron
ICs: CD 4051, 74HC4051 (TI), DG508A, 509A (Maxim)
Ch6 Analog

38

19
CuuDuongThanCong.com

/>

6.2.3. Voltage Reference - Uref
Là các vi mạch (super zener) tạo ra các điện áp có độ ổn
định cao theo thời gian và theo nhiệt độ môi trường
Giá trị điện áp theo thập phân (2,5 / 5/ 10,00Vdc) hay nhị
phân (5,12/ 10,24Vdc)
Hệ số trôi: 30..50 ppm/OC
Công thức chuyển đổi A/D và D/A n bit:
bn-12n-1 + bn-22n-2 + ... + b121 + b020
Uanalog 
Uref ()
2n
Vi mạch: LH0070, LM199s, LM136s (NS) 2,50 hoặc
5,00V
Ch6 Analog

39

6.2.4. Sample & Hold (tríc mẫu và giữ)
Trích mẫu của tín hiệu vào thời điểm cuối của xung Sample
và giữ nguyên giá trị đó trong khoảng thời gian lâu hơn.
Dùng trong các hệ thu thập số liệu khi tốc độ biến thiên tín
hiệu cao (tương đối) với thời gian ADC chuyển đổi
Thu hẹp cửa sổ bất định của ADC - do thời gian chuyển đổi

dài (10s s - ms) thành cửa sổ bất định của S&H (10s ns..s)
=> nâng cao độ chính xác chuyển đổi A/D và nâng cao tần số
tín hiệu.
Thời gian trích mẫu: vài chục ns đến vài s
Tụ giữ (Chold): dùng tụ có dịng rị rất nhỏ
Tốc độ sụt áp: mV/s, tuỳ thuộc tụ
Guard Ring: kỹ thuật chế tạo mạch giảm thiểu dòng rò
Ch6 Analog

40

20
CuuDuongThanCong.com

/>

Hình 6.08. Symbolic Sample & Hold
ICs: LF189s (NS); AD585 (Analog Device Inc.)

Ch6 Analog

41

Ch6 Analog

42

21
CuuDuongThanCong.com

/>

Hình 6.09. Biểu đồ chuyển đổi tín hiệu w/o [w] S&H
Ch6 Analog

43

Có tín hiệu u(t). Định: điểm t1 => mẫu A1; t2 => mẫu
A2... khi khôi phục lại sẽ được đường cong gần đúng với
đường ban đầu, tùy thuộc mật độ của mẫu.
Thực tế:
t1 => start ADC, t1+ có tín hiệu EOC => mẫu thu
được A*1
t2 => start ... mẫu A*2 ... khi khơi phục được đường
cong khác.
Tốc độ tín hiệu biến thiên càng lớn => sai số
Dùng S&H:
t1=> sample, start ADC, t2 => sample, start ADC...
Ch6 Analog

44

22
CuuDuongThanCong.com

/>

Hình 6.10. Tính tần số hình sin với DAC 574
Case study: u(t)= 5+5*sin(t+) (V). ADC 12bit, 35s
converssion time, U(ref) = 10,24V. Sai số lượng tử = 1/2 ULSB .

Hỏi tần số tín hiệu max - khơng sai trong 2 trường hợp w - w/o
S&H. Sample time=100ns
Ch6 Analog

45

Ch6 Analog

46

23
CuuDuongThanCong.com

/>

6.2.5. Các sai số chuyển đổi
• Sai số tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x
x = x – x*
• Sai số tương đối:
% = (x/x) x 100
• Sai số do sensor:
– Sai số có tính hệ thống:
• Do nguyên lý của sensor,
• Chuẩn thang, xử lý kết quả đo

– Sai số ngẫu nhiên:
• Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, ảnh hưởng của môi trường

– Hàm hiệu chnh tuyn tớnh: y = ax+b
Ch6 Analog

47

6.2.5.
sai số
đổi
6.2.5.CácCỏc
saichuyển
s chuyn

i

ã phân ly (resolution) và độ chính xác (precision):
• Sai số tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x
x = x – x*
• Sai số tương đối:
% = (x/x) x 100
• Sai số do sensor:
– Sai số có tính hệ thống:
• Do ngun lý của sensor,
• Chuẩn thang, xử lý kết quả đo

– Sai số ngẫu nhiên:
• Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, ảnh hưởng của mơi trường

– Hàm hiệu chỉnh tuyến tính: y = ax+b
Ch6 Analog

48

24
CuuDuongThanCong.com

/>

Ví dụ LM335: giả sử thực
tế là
0..100oC => 2,74..3,72V
Để hiệu chỉnh:
1. Chỉnh zero first, lấy
nước đá đang tan
2. Chuẩn hóa ở 100oC, so
với nhiệt kế mẫu, trong
cùng điều kiện môi
trường đo

Ch6 Analog

49

6.2.5. Các sai số chuyển đổi
6.2.5. c¸c sai sè chun ®ỉi

Sai số lượng tử: do việc rời rạc hóa tín hiệu => lấy
trung bình, loại trừ bớt
Sai số do mạch chuẩn hóa (conditioner) analog:
Zero Err, offset, cộng => potentiometer/ software,
Full Scale Err, nhân – gain, => pot./ software
Nguồn chuẩn Uref
Nguồn cấp, ...

Tín hiệu biến thiên nhanh
Tần số lấy mẫu thưa/chậm.
Ref Kỹ thuật Đo lường - Prof. Dr. Phạm Thượng
Hàn
Ch6 Analog

50

25
CuuDuongThanCong.com

/>