Tài liệu Thiết bị ngoại vi và ghép nối . chương 6 doc

1
Ch6 Analog 1
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 2
6.1. analog signal interface overview:
Là hàm của 1 (hoặc
nhiều) biến độc lập,
đại lợng vật lý theo
thời gian: nh tiếng
nói, nhiệt độ... theo
thời gian: A=f(t,h)
Xuất hiện liên tục
trong khoảng thời
gian t
0
-t
1
Giá trị biến thiên liên
tục trong khoảng biên
độ từ A
0
đến A
1
,có
thể đa trị.

2
Ch6 Analog 3
6.1. analog signal interface overview:
Trong thực tế: Rời rạc hóa
Trong Máy tính số, thông 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 4
Hình 6.02a. Mô hình ghép nối tín hiệu analog
3
Ch6 Analog 5
H×nh 6.02-b. M« h×nh HÖ §o l−êng - §iÒu khiÓn sè
Ch6 Analog 6
• Process:
– Là các quá trình công nghệ như: dây chuyền xeo giấy;
phối-trộn-nghiền-nung clinker => sản xuất cement; dây
chuyền luyện-nung-cán 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
–Thiết bị: có sự gia công/chế tác – ví dụ LM135
precision temperature sensor, bán dẫn
• 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.
4
Ch6 Analog 7
• MUX: analog multiplexer – bộ dồn kênh
– Inputs: n bit chọn kênh, có 2
n
kênh số đo analog, đánh số từ
0..2
n
-1;
– Output: 1 kênh chung thông với 1 trong số 2
n
inputs và duy
nhất;
–Như vậy chỉ cần 01 hệ VXL/MT và 01 ADC vẫn thu thập
được nhiều điểm đo công 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 8

• 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...
5
Ch6 Analog 9
•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 công suất lớn
(motor, breaker, ...)
• Actuators: các cơ cấu chấp hành
– Là 1 lớp các thiết bị để tác đọng 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 dòng chất lỏng/khí/gas: valves (percentage,
ON/OFF valves)
Ch6 Analog 10
H.

6.2c.
Mô
hình
hệ
DCS
6
Ch6 Analog 11
H. 5.02d. Mô hình hệ SCADA
Ch6 Analog 12
6.2. analog electronics: chuÈn hãa tÝn hiÖu
• Operational Amplifiers - OpAmps - KhuÕch ®¹i
thuËt to¸n ®Ó t¹o c¸c bé conditioners – chuÈn hãa
tÝn hiÖu
• Analog Switches & Analog Multiplexers
• Reference Voltage Sourcers - nguån ¸p chuÈn
• Sample & Hold - trÝch mÉu vµ gi÷
• Converssion Errors - Sai sè chuyÓn ®æi
• ...
7
Ch6 Analog 13
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 14
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 10
12
, trở ra nhỏ, 10s đến
100s, tốt cho các mạch ghép nối analog, phối hợp trở
kháng.
Hình 6.04.
Thiết bị 2 cửa
8
Ch6 Analog 15
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
Band width/ Slew rate: Băng thông/ Tốc độ tăng điện áp
tối đa phía Output khi cửa vào có bớc nhảy đơn vị
U
Offset
: 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: àA741 (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 16
Hình 6.05a. Analog Comparator, dùng trong ADC
9
Ch6 Analog 17
H×nh 6.05b.
Ch6 Analog 18
H×nh 6.05c
10
Ch6 Analog 19
H×nh 6.05d
Ch6 Analog 20
H×nh 6.05e
11
Ch6 Analog 21
H 6.05f: Differential apmlifier
Ch6 Analog 22
H×nh 6.05-g. Instrumentation Ampl.
12
Ch6 Analog 23
Hình 6.05-h, dùng trong các ADC tích phân 2 sờn
dốc, có thời gian CĐ chậm, độ phân ly, CX cao, rẻ
Ch6 Analog 24
Hình 6.05-j, Active filter,
f
c
mà tại đó biên độ tín hiệu giảm 0.707

2
nd
order, -40dB/dec, biên độ th giảm 100 lần khi
tần số tăng 10 lần
13
Ch6 Analog 25
Hình 6.05-k, giống nh low pass
Xd các mạch:
Band pass, thông 1 dải
Notch, chắn 1 dải
Ch6 Analog 26
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 nh loại bỏ R
ON
của các khóa analog.
14
Ch6 Analog 27
H×nh 6.05-n. i/ U Converter - ghÐp nèi dac out
- Th−êng dïng víi c¸c DAC – Current Output types.
Ch6 Analog 28
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 10 – dăm chục lần
–Mạch kđ đo lường (instrument) dăm chục- trăm lần,

H6.05g, tầng Vào Vi sai – Ra Vi sai: 30 – 100 lần, tầng
Vào Vi sai – Ra Đơn cực: 10 đến 30.
–Lưu ý: chọn HSKĐ càng lớn:
•Băng thông giảm bấy nhiêu lần
• Điện trở vào giảm bấy nhiêu lần
• Độ ổn định của mạch giảm: trôi zero theo thời gian, nhiệt độ…
15
Ch6 Analog 29
• Dùng mạch cộng để dịch trục. Ví dụ: Sensor nhiệt
độ LM335:
– Range: -0
o
C … +100
o
C
– Sensitivity: nếu cấp dòng từ 0,5-5mA =>10mV/
o
K, @
0
o
C => 2,73V; 100
o
C => 3,73V. Nếu muốn đo theo
O
C
=> phải dịch trục, trừ đi 2,73V. Tùy thuộc vào ADC
Input Voltage sẽ khuếch đại mấy lần.
–Nếu ADC Input Voltage = 5V => sẽ dùng mạch KĐ -5
lần. Như vậy mới khai thác triệt để được độ phân ly của
ADC

Một số chú ý khi sử dụng OpAmp
Ch6 Analog 30
Case study 1: LM335 conditioning circuit
16
Ch6 Analog 31
Case study 2: Loadcell Conditioning Circuit
Ch6 Analog 32
Case study: Pt100 sensor
• Pt100 là RTD, Resistance Thermo Device,
nhiệt điện trở Platin, có
• R=100Ohm @ 0OC
• ∆R/∆T = 0,39%/OC
•Xây dựng mạch chuẩn hóa tín hiệu –
conditioner, để có Output = 0..5Vdc, nhiệt
độ đo từ 0..500OC
•Gợi ý: Wheaston Bridge, Constant current
sourcer…có bù điểm zero
17
Ch6 Analog 33
6.2.2. analog switches & multiplexers: a. Switches
Hình 6.06. Symbol of
Analog SPDT switch
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 =>
Không dùng để khóa tín
hiệu áp quá thấp

Biên độ tín hiệu:
Vss<Us<Vdd
Tần sut ON/OFF : ..10
9
s/s
ICs: CD 4052/ 53, LF11331
Ch6 Analog 34
6.2.2. analog switch & multiplexer: b. Multiplexers
Hình 6.07. Functional Block Diagram Analog MUX
18
Ch6 Analog 35
2
n
switches nối chung 1 cực
n bit chọn kênh => 2
n
kênh, 1 trong số 2
n
kênh đợc
chọn trong 1 thời điểm.
Chức năng MUX và DeMUX
Có tín hiệu Inhibit - cấm tất cả các kênh
Biên độ tín hiệu: Vss <U(s) < Vdd , Chú ý hiện
tợng 'xuyên kênh' (Cross-talk)
Tần số tín hiệu : ... MHzGHz
Dòng điện nhỏ, cỡ àA => thờng dùng mạch follower để
loại trừ R
on
ICs: CD 4051, 74HC4051 (TI), DG508A, 509A (Maxim)
6.2.2. analog switch & multiplexer: b.MUX

Ch6 Analog 36
Là các vi mạch (super zener) tạo ra các điện áp có độ ổn
định cao theo thời gian và theo nhiệt độ môi trờng
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/
O
C
Công thức chuyển đổi A/D và D/A n bit:
b
n-1
2
n-1
+ b
n-2
2
n-2
+ ... + b
1
2
1
+ b
0
2
0
U
analog
Uref ()
2
n

Các vi mạch: LH0070, LM199s, LM136s (NS)
6.2.3. voltage reference - u
ref
19
Ch6 Analog 37
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 (tơng đối) với thời gian ADC chuyển
đổi
Thu hẹp cửa sổ bất định của ADC - do thời gian
chuyển đổi dài (10s às - ms) thành cửa sổ bất định của
S&H (10s ns..às) => 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 às
Tụ giữ (C
hold
): dùng tụ có dòng rò rất nhỏ
Tốc độ sụt áp: mV/s, tuỳ thuộc tụ
Guard Ring: kỹ thuật chế tạo mạch giảm thiểu dòng rò
6.2.4. Sample & Hold (trích mẫu & giữ)
Ch6 Analog 38
Hình 6.08. Symbolic Sample & Hold
ICs: LF189s (NS); AD585 (Analog Device Inc.)
20
Ch6 Analog 39
Ch6 Analog 40
H×nh 6.09. BiÓu ®å chuyÓn ®æi tÝn hiÖu w/o [w] S&H
21

Ch6 Analog 41
Có tín hiệu u(t). Định: điểm t
1
=> mẫu A
1
; t
2
=> mẫu
A
2
... khi khôi phục lại sẽ đợc đờng cong gần đúng với
đờng ban đầu, tùy thuộc mật độ của mẫu.
Thực tế:
t
1
=> start ADC, t
1
+ có tín hiệu EOC => mẫu thu
đợc A*
1
t
2
=> start ... mẫu A*
2
... khi khôi phục đợc đờng
cong khác.
Tốc độ tín hiệu biến thiên càng lớn => sai số
Dùng S&H:
t
1

=> sample, start ADC, t
2
=> sample, start ADC...
Ch6 Analog 42
Hình 6.10. Tính tần số hình sin với DAC 574
Case study: u(t)= 5+5*sin(t+) (V). ADC 12bit, 35às
converssion time, U(ref) = 10,24V. Sai số lợng tử = 1/2
U
LSB
. Hỏi tần số tín hiệu max - không sai trong 2 trờng
hợp w - w/o S&H. Sample time=100ns
22
Ch6 Analog 43
Ch6 Analog 44
•Sai số tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x
∆x = x – x*
•Sai số tương đối: δ% = (∆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
6.2.5. C¸c sai sè chuyÓn ®æi
23
Ch6 Analog 45
Ch6 Analog 46
Sai số lợng 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 U
ref
Nguồn cấp, ...
Tín hiệu biến thiên nhanh
Tần số lấy mẫu tha/chậm.
Ref Kỹ thuật Đo lờng -Prof. Dr. Phạm Thợng Hàn
6.2.5. các sai số chuyển đổi
24
Ch6 Analog 47
Phương pháp 3 sigma (3σ)
• Để loại trừ sai số thô bạo
•Tại 1 giá trị, với n lần đo, thu
được 1 bộ số x, kỳ vọng toán
học của bộ số đo là:
•Phương sai:
•Giá trị đo x* được coi là tin
cậy, nếu lấy:
–2σ, độ chính xác rất cao
–3σ, độ chính xác cao
–Ngoài 3 σ: xác suất ít, sai số lớn
=> bỏ
Ch6 Analog 48
6.3. DAC - Digital to Analog Convertors
• 6.3.1. Khái niệm:
• Digital to Analog: số => tín hiệu dòng điện/điện áp,
liên tục về thời gian, rời rạc về giá trị.
• Phân loại:
– Công nghệ chế tạo,

–số bit (reslution),
–Thời gian cđ 10s ns .. 100s ns,
–Cấu trúc: Built-in latched – ghép nối trực tiếp với bus
/unlatched cần có out-port, bus 8 hay 16 bit
– Signed – điện áp ra 2 dấu hoặc unsnigned – điện áp ra 1
dấu.
25
Ch6 Analog 49
• Ứng dụng:
+ Tổng hợp tín hiệu:
- Đàn Organ,
- Functional Generators, phát tín hiệu chuẩn
- Voice Chip,
+ VGA/SVGA: RAM-DAC
+ Tái tạo: Âm thanh số, MP3, CD, KaraOke...
+ Ghép nối giữa hệ thống số (PC, PLC...) => bộ
điều khiển analog, tạo ra các SET-POINT
+ Bộ nhân tín hiệu analog - 4 góc: nhân hệ số với
U(in) thay cho U
REF
Ch6 Analog 50
6.3. DAC - Digital to Analog Convertors
6.3.2. Nguyên lý
cấu trúc và
Hoạt động
(hình 6.15)
Hình 6.15. Nguyên lý DAC