gia công tín hiệu đo lường

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.2 MB, 46 trang )

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU
ĐO LƯỜNG
Mai Quốc Khánh
Nguyễn Hùng An
Học viện KTQS
06/2019

*

Tài liệu tham khảo
1. Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh,
Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019.
2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc
Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm
2019.

2

Bài 1: Gia công tín hiệu đo lường
1. Các tín hiệu đo lường tương tự
2. Gia công tín hiệu đo lường
3. Chuyển đổi AC/DC
4. Chuyển đổi điện áp – tần số

3

1. Các tín hiệu đo lường tương tự

Tại sao cần xử lý bổ xung với tín hiệu đo
lường?
• Thông tin đo lường thường được xử lý dưới dạng tín

hiệu đo lường.
• Tín hiệu đo lường điện là tín hiệu điện biến thiên

theo thời gian để biểu diễn giá trị đo được.
• Các tham số tín hiệu thường sử dụng để biểu diễn giá

trị đo: biên độ, tần số, pha …
• Để đạt chất lượng tốt hơn, tín hiệu cần được xử lý bổ

sung.
5

2. Gia công tín hiệu

Mục đích của gia công tín hiệu
• 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 điện

trở 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).
7

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

8

Các hoạt động gia công tín hiệu (tt)
• 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.
9

Các hoạt động gia công tín hiệu (tt)
 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.

10

Các kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường
 Xử lý tương tự tín hiệu đo lường
 Thích hợp cho xử lý ban đầu (VD: khuếch đại)

 Xử lý số tín hiệu đo lường
 Ít chịu ảnh hưởng của nhiễu
 Dễ truyền và lưu giữ
 Dễ thực hiện các tính toán
 Thích hợp với các hệ thống tính toán
 Hai kỹ thuật trên bổ sung cho nhau
11

Phân loại tín hiệu đo lường
 Tín hiệu tất định và tín hiệu ngẫu nhiên
 Tất định: có thể dự đoán với một độ chắc chắn tuyệt đối
và có thể tái tạo.
 Ngẫu nhiên: chỉ có thể ước lượng với một xác suất nào
đó.

 Tín hiệu một chiều (DC) và tín hiệu xoay chiều (AC)
 DC: được mô tả bởi một tham số giá trị
 AC: được mô tả bởi nhiều tham số
 Các giá trị: tức thời u(t); biên độ Um hoặc đỉnh Up; đỉnh-đỉnh (Upp); trung

bình (U0), trung bình chỉnh lưu (Uav); hiệu dụng Urms
 Tần số f (hoặc ω = 2πf hoặc chu kỳ T = 1/f); pha ϕ

12

Các giá trị đặc trưng cho điện áp xoay chiều
Tín hiệu điện áp

u (t )  U m sin t   

Các tham số chính

Giá trị
biên độ
đỉnh-đỉnh

Giá trị
biên độ

1 t0  T
U0  
u (t )dt
t
T 0

1 t0  T
U av  
u (t ) dt
t
T 0
U rms

1 t0  T 2


u (t ) dt

t
T 0

Với tín hiệu hình sin:
U0 = 0
Uav = 0,637Um
Urms = 0,707 Um
Upp = 2 Um
13/30
13

Phân tích tín hiệu AC trên miền tần số và
miền thời gian
Sử dụng biến đổi Fourier

1
x(t ) 
2
X ( ) 





X ( )e jt d 







x(t )e  jt dt



Tín hiệu tuần hoàn không sin có thể mô tả bởi tổng các hài


x(t )  a0  2 ak cos(k0t )  b0sin (k0t )
k 1

với
1
a0 
T

t1 T


t1

x(t )dt

1
ak 
T

t1 T


t1

x(t )cos(k0t )dt

1
bk 
T

t1 T


t1

x(t )sin (k0t )dt
14/30
14

Phân tích tín hiệu AC trên miền tần số và
miền thời gian (tt)
Tín hiệu tuần hoàn không sin cũng có thể mô tả theo
hàm mũ phức
x(t ) 



ce

k 

n

jk0t

1
với cn 
T

t0  T



x(t )e  jk0t dt

t0

Hệ số méo của tín hiệu không sin h 

U 22  U 32  …  U n2
U1

Với tín hiệu không tuần hoàn, sử dụng tích phân

Fourier thay cho chuỗi Fourier
 jt
X(f ) 

 x(t )e



dt
15/30
15

Biểu diễn Fourier các tín hiệu điển hình

Biểu diễn Fourier của các tín hiệu điển hình

16

Biểu diễn phổ của tín hiệu

Tín hiệu hinh sin thuần túy

Tín hiệu bị méo

Ví dụ về phân tích phổ
17

Chuẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảm
kháng
• Nhiều đại lượng không điện có thể được đo bằng các

cảm biến  chuyển đổi giá trị đo thành sự thay đổi
của trở kháng, dung kháng và cảm kháng.
• VD: cảm biến strain-gauge (áp suất  thay đổi trở kháng);

cảm biến âm học của microphone (âm thanh  thay đổi
dung kháng)
• Bước xử lý đầu tiên là chuẩn hóa tín hiệu, thông

thường biến đổi tín hiệu thành điện áp (thuận tiện xử
lý tiếp theo: khuếch đại, lọc, truyền dẫn).
18

Chuẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảm
kháng (tt)
Các BCĐ điện trở điện áp điển hình

a) Với trở kháng nối tới Rx rất lớn U out  I w Rx  CĐ tuyến tính
b) Với trở kháng nối tới Rx hữu hạn U out  U w
 CĐ phi tuyến

Rw
1
 Uw
R
Rw  Rx
1 x
Rw

Hạn chế: Uout= f(Rx) không xuất phát từ 0 (do Rx không xuất phát từ

0  Uout cũng không xuất phát từ 0)
Rx
Rx  Rx 0  Rx  Rx 0 (1 
)  Rx 0 (1   )
Rx 0

U out  U out 0 (1   )

19

Chuẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảm
kháng (tt)

Các BCĐ điện trở-điện áp có loại trừ thành phần lệch
a) Cầu không cân bằng (cầu kiểu lệch) b) Với khuếch đại vi sai c) Đặc tính chuyển đổi

U out

Rx
S
 S 
Rxo

20

BCĐ điện trở-điện áp sử dụng mạch cầu
không cân bằng
• Ở trạng thái cân bằng đối với điểm bắt

đầu của điện trở cảm biến, tín hiệu ra
có độ lệch bằng 0, do:
U out  S

Rx
 S 
Rxo

• Hàm truyền bắt đầu từ 0
• Miễn nhiễm với thay đổi của nhiễu bên

Mạch cầu kiểu lệch

ngoài (VD: sự thay đổi nhiệt độ bên
ngoài)

21

BCĐ điện trở-điện áp sử dụng KĐ vi sai
 Mạch sử dụng KĐ vi sai có đặc tính

tương tự như mạch cầu không cân bằng.
 Mạch KĐ vi sai chuyển đổi sai khác giữa

các tín hiệu đầu vào: Uout=Ku(U1-U2).
 Do đó, nếu một trong các điện trở đầu

vào là tích cực (cảm biến đo lường) và

điện trở thứ hai là thụ động có cùng giá
trị  loại trừ được điện áp lệch và cũng
loại trừ được nhiễu.

Mạch với KĐ vi sai

22

BCĐ sử dụng mạch cầu cân bằng 4 cảm biến

Mạch cầu cân bằng với 4
cảm biến, cấp nguồn DC

Mạch cầu cân bằng với 4
cảm biến, cấp nguồn AC

 Để tăng độ nhạy  sử dụng mạch cầu cân bằng có 4 cảm

biến. Hai loại chính:
a) Cấp nguồn DC (sử dụng trong hệ thống cầu đo biến dạng)
b) Cấp nguồn AC

23

BCĐ sử dụng bộ tách sóng nhạy pha

Bộ cảm biến dịch chuyển sử dụng bộ tách sóng nhạy pha (PD) ở đầu ra.
U’out – đặc tính khi không sử dụng PD; U”out – đặc tính khi sử dụng PD

• Khi phần tử sắt động ở vị trí giữa  điện cảm L1 và L2 là như nhau
 cầu cân bằng.

• Khi dịch chuyển phần tử sắt, một điện cảm tăng, còn một điện
cảm giảm. Tín hiệu đầu ra của mạch sẽ tỷ lệ với độ dịch chuyển

24

BCĐ điện dung

a)

b)

Chuyển đổi điện dung (C) hoặc điện cảm (L) thành tín hiệu AC có tần số phụ
thuộc vào tham số cần đo: a) Bộ dao động Hartley b)Bộ dao động Colpitts

 Các bộ tạo dao động (VD: bộ TDĐ Hartley và Colpitts) chuyển đổi

biến thiên của điện trở, điện cảm và điện dung thành tần số
 Hạn chế: sự phụ thuộc phi tuyến của tần số vào tham số cần đo là
phi tuyến, vì f 1/𝑋. (X là C hoặc L).

25

1. Các tín hiệu giám sát tương tựTại sao cần giải quyết và xử lý bổ xung với tín hiệu đolường ? • tin tức thống kê giám sát thường được giải quyết và xử lý dưới dạng tínhiệu giám sát. • Tín hiệu thống kê giám sát điện là tín hiệu điện biến thiêntheo thời hạn để trình diễn giá trị đo được. • Các tham số tín hiệu thường sử dụng để trình diễn giátrị đo : biên độ, tần số, pha … • Để đạt chất lượng tốt hơn, tín hiệu cần được giải quyết và xử lý bổsung. 2. Gia công tín hiệuMục đích của gia công tín hiệu • Gia công tín hiệu ( hay chuẩn hóa tín hiệu – Signal conditioning ) : biến hóa tín hiệu từ dạngsơ cấp về dạng thuận tiện cho giải quyết và xử lý tiếp theo • VD : đổi khác sự đổi khác điện trở của cảm ứng điệntrở nhiệt thành sự đổi khác của điện áp. • Thông thường, mạch chuẩn hóa tín hiệu chophép hiệu chỉnh tăng cường tuyến tính. • Biến đổi tín hiệu cảm ứng về dạng cuối ( baogồm : khuếch đại, đổi khác về giao diện chuẩn ). Các hoạt động giải trí gia công tín hiệu • Thu nhận tài liệu ( Data Acquisition ) : trộn tínhiệu vào, quy đổi về dạng số và truyền tớigiao diện máy tính • VD : PCI hoặc USB  Chuyển đổi tín hiệu : đổi khác tín hiệu từ dạngnày sang dạng khác  VD : Biến đổi A / D hoặc đổi khác AC / DC  Khôi phục tín hiệu : phục sinh hoặc cải thiệnchất lượng tín hiệu  VD : vô hiệu tác động ảnh hưởng của tạp âmCác hoạt động giải trí gia công tín hiệu ( tt ) • Khuếch đại tín hiệu : tăng giá trị tín hiệunhưng vẫn bảo toàn những tham số khác ( VD : băng thông tần số, dạng sóng … ).  Cách ly tín hiệu : tách ( vật lý ) những mạch vào vàmạch ra.  Lọc tín hiệu : chỉ truyền tới đầu ra những thànhphần hài đã chọn từ tín hiệu vào. Các hoạt động giải trí gia công tín hiệu ( tt )  Hòa hợp tín hiệu : quy đổi tín hiệu từ dạngtùy ý về dạng chuẩn ( hoặc dạng thông dụng ).  VD : đổi khác tín hiệu đo về tín hiệu ± 5V ( chấp nhậnbởi hầu hết những mạch số ).  Điều chế tín hiệu :  VD : đổi khác tín hiệu đo thành tín hiệu cao tần vớimột tham số nào đó ( biên độ, tần số, pha ) thay đổitheo thông tin đo lường và thống kê. 10C ác kỹ thuật giải quyết và xử lý tín hiệu thống kê giám sát  Xử lý tương tự như tín hiệu đo lường và thống kê  Thích hợp cho giải quyết và xử lý khởi đầu ( VD : khuếch đại )  Xử lý số tín hiệu thống kê giám sát  Ít chịu tác động ảnh hưởng của nhiễu  Dễ truyền và lưu giữ  Dễ triển khai những đo lường và thống kê  Thích hợp với những mạng lưới hệ thống thống kê giám sát  Hai kỹ thuật trên bổ trợ cho nhau11Phân loại tín hiệu thống kê giám sát  Tín hiệu tất định và tín hiệu ngẫu nhiên  Tất định : hoàn toàn có thể Dự kiến với một độ chắc như đinh tuyệt đốivà hoàn toàn có thể tái tạo.  Ngẫu nhiên : chỉ hoàn toàn có thể ước đạt với một Phần Trăm nàođó.  Tín hiệu một chiều ( DC ) và tín hiệu xoay chiều ( AC )  DC : được diễn đạt bởi một tham số giá trị  AC : được diễn đạt bởi nhiều tham số  Các giá trị : tức thời u ( t ) ; biên độ Um hoặc đỉnh Up ; đỉnh-đỉnh ( Upp ) ; trungbình ( U0 ), trung bình chỉnh lưu ( Uav ) ; hiệu dụng Urms  Tần số f ( hoặc ω = 2 πf hoặc chu kỳ luân hồi T = 1 / f ) ; pha ϕ12Các giá trị đặc trưng cho điện áp xoay chiềuTín hiệu điện ápu ( t )  U m sin   t    Các tham số chínhGiá trịbiên độđỉnh-đỉnhGiá trịbiên độ1 t0  TU0   u ( t ) dtT 01 t0  TU av   u ( t ) dtT 0U rms1 t0  T 2 u ( t ) dtT 0V ới tín hiệu hình sin : U0 = 0U av = 0,637 UmUrms = 0,707 UmUpp = 2 Um13 / 3013P hân tích tín hiệu AC trên miền tần số vàmiền thời gianSử dụng đổi khác Fourierx ( t )  2  X (  )    X (  ) e j  t d      x ( t ) e  j  t dt   Tín hiệu tuần hoàn không sin hoàn toàn có thể miêu tả bởi tổng những hàix ( t )  a0  2  ak cos ( k  0 t )  b0sin ( k  0 t ) k  1 vớia0  t1  Tt1x ( t ) dtak  t1  Tt1x ( t ) cos ( k  0 t ) dtbk  t1  Tt1x ( t ) sin ( k  0 t ) dt14 / 3014P hân tích tín hiệu AC trên miền tần số vàmiền thời hạn ( tt ) Tín hiệu tuần hoàn không sin cũng hoàn toàn có thể miêu tả theohàm mũ phứcx ( t )     cek    jk  0 tvới cn  t0  Tx ( t ) e  jk  0 t dtt0Hệ số méo của tín hiệu không sin h  U 22  U 32  …  U n2U1Với tín hiệu không tuần hoàn, sử dụng tích phân   Fourier thay cho chuỗi Fourier  j  tX ( f )   x ( t ) e   dt15 / 3015B iểu diễn Fourier những tín hiệu điển hìnhBiểu diễn Fourier của những tín hiệu điển hình16Biểu diễn phổ của tín hiệuTín hiệu hinh sin thuần túyTín hiệu bị méoVí dụ về nghiên cứu và phân tích phổ17Chuẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảmkháng • Nhiều đại lượng không điện hoàn toàn có thể được đo bằng cáccảm biến  quy đổi giá trị đo thành sự thay đổicủa trở kháng, dung kháng và cảm kháng. • VD : cảm ứng strain-gauge ( áp suất  biến hóa trở kháng ) ; cảm ứng âm học của microphone ( âm thanh  thay đổidung kháng ) • Bước giải quyết và xử lý tiên phong là chuẩn hóa tín hiệu, thôngthường đổi khác tín hiệu thành điện áp ( thuận tiện xửlý tiếp theo : khuếch đại, lọc, truyền dẫn ). 18C huẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảmkháng ( tt ) Các BCĐ điện trở điện áp điển hìnha ) Với trở kháng nối tới Rx rất lớn U out  I w Rx  CĐ tuyến tínhb ) Với trở kháng nối tới Rx hữu hạn U out  U w  CĐ phi tuyếnRw  UwRw  Rx1  xRwHạn chế : Uout = f ( Rx ) không xuất phát từ 0 ( do Rx không xuất phát từ0  Uout cũng không xuất phát từ 0 )  RxRx  Rx 0   Rx  Rx 0 ( 1  )  Rx 0 ( 1   ) Rx 0U out  U out 0 ( 1   ) 19C huẩn hóa trở kháng, dung kháng và cảmkháng ( tt ) Các BCĐ điện trở-điện áp có loại trừ thành phần lệcha ) Cầu không cân đối ( cầu kiểu lệch ) b ) Với khuếch đại vi sai c ) Đặc tính chuyển đổiU out  Rx  S  S   Rxo20BCĐ điện trở-điện áp sử dụng mạch cầukhông cân đối • Ở trạng thái cân đối so với điểm bắtđầu của điện trở cảm ứng, tín hiệu racó độ lệch bằng 0, do : U out  S  Rx  S   Rxo • Hàm truyền mở màn từ 0 • Miễn nhiễm với biến hóa của nhiễu bênMạch cầu kiểu lệchngoài ( VD : sự biến hóa nhiệt độ bênngoài ) 21BC Đ điện trở-điện áp sử dụng KĐ vi sai  Mạch sử dụng KĐ vi sai có đặc tínhtương tự như mạch cầu không cân đối.  Mạch KĐ vi sai quy đổi sai khác giữacác tín hiệu nguồn vào : Uout = Ku ( U1-U2 ).  Do đó, nếu một trong những điện trở đầuvào là tích cực ( cảm ứng giám sát ) vàđiện trở thứ hai là thụ động có cùng giátrị  loại trừ được điện áp lệch và cũngloại trừ được nhiễu. Mạch với KĐ vi sai22BCĐ sử dụng mạch cầu cân đối 4 cảm biếnMạch cầu cân đối với 4 cảm ứng, cấp nguồn DCMạch cầu cân đối với 4 cảm ứng, cấp nguồn AC  Để tăng độ nhạy  sử dụng mạch cầu cân đối có 4 cảmbiến. Hai loại chính : a ) Cấp nguồn DC ( sử dụng trong mạng lưới hệ thống cầu đo biến dạng ) b ) Cấp nguồn AC23BCĐ sử dụng bộ tách sóng nhạy phaBộ cảm ứng di dời sử dụng bộ tách sóng nhạy pha ( PD ) ở đầu ra. U’out – đặc tính khi không sử dụng PD ; U ” out – đặc tính khi sử dụng PD • Khi thành phần sắt động ở vị trí giữa  điện cảm L1 và L2 là như nhau  cầu cân đối. • Khi di dời thành phần sắt, một điện cảm tăng, còn một điệncảm giảm. Tín hiệu đầu ra của mạch sẽ tỷ suất với độ dịch chuyển24BCĐ điện dunga ) b ) Chuyển đổi điện dung ( C ) hoặc điện cảm ( L ) thành tín hiệu AC có tần số phụthuộc vào tham số cần đo : a ) Bộ giao động Hartley b ) Bộ xê dịch Colpitts  Các bộ tạo giao động ( VD : bộ TDĐ Hartley và Colpitts ) chuyển đổibiến thiên của điện trở, điện cảm và điện dung thành tần số  Hạn chế : sự nhờ vào phi tuyến của tần số vào tham số cần đo làphi tuyến, vì f  1 / 𝑋. ( X là C hoặc L ). 25

Source: https://mbfamily.vn
Category: Tin tổng hợp

Xem thêm bài viết thuộc chuyên mục: Tin tổng hợp