Đo lường - cảm biến
Các mạch điện thông dụng trong Đo lường Xử lý các kết quả đo lường
Nội dung
• Mạch khuếch đại và một số mạch thông dụng • Chuyển đổi tương tự - số • Ghép nối với máy tính • Xử lý kết quả đo lường
Đo lường – Cảm biến
Mạch khuếch đại
• Chức năng
– Khuyếch đại – Bộ lọc, xử lý tín hiệu, hiệu chỉnh sự phi tuyến
Sensor Digital Computer Signal Conditioning Circuitry
Đo lường – Cảm biến
Temperature Pressure Flow Motion ….
Mạch khuếch đại đảo
Khuếch đại đảo
Gain = - Rf / Ri
• Tầm tuyến tính: phụ thuộc
vào nguồn cung cấp
• Trở kháng ngõ vào: Ri
4
Đo lường – Cảm biến
Bão hòa
Mạch khuyếch đại không đảo
• Trở kháng ngõ vào: rất lớn
• Khuyếch đại không đảo – Gain = (Rf + Ri) / Rf
(infinite)
Đo lường – Cảm biến
5
Một số mạch khuếch đại khác
• Vo = Vi • Ứng dụng
– Mạch đệm: cách ly ngõ ra và
ngõ vào
Mạch khuếch đại vi sai V6 = (V2 – V1) * R2 / R1
-
Trở kháng ngõ vào không cao
– Biến đổi trở kháng: dùng trong các mạch thu thập dữ liệu (ADC hay DAC) khi cần trở kháng cao
Đo lường – Cảm biến
6
Một số mạch khuếch đại khác
DG = (V1-V2) / (V3-V4) = (2*R4 + R3) / R3
V6 = (V3-V4)*DG*R2 / R1
- Kết hợp giữa mạch khuếch đại không
đảo và khuếch đại vi sai - Trở kháng đầu vào cao - Thay đổi R3 để điều chỉnh độ khuếch
đại
Đo lường – Cảm biến
Mạch VCO (Voltage Controlled Oscillator)
VCO = VFC Voltage to Frequency Converter
Đo lường – Cảm biến
Mạch VCO biến đổi điện áp đầu vào thành chuỗi xung ra có tần số tỉ lệ với độ lớn điện áp
Một số mạch điện thông dụng khác • Cầu Wheatstone
• Mạch chia áp
Vs
R1 R1 R2
a Eo b Vo E
Eo = {(R2R3 – R1R4) / (R1+R3)(R2+R4) } E
Vo = {R2 / (R1 + R2)} Vs
Đo lường – Cảm biến
R2 R3 R4
Chuyển đổi tương tự - số
• Tương tự số: ADC • Số tương tự: DAC
Đo lường – Cảm biến
Xử lý kết quả đo lường
• Đảo chiều và thay đổi tầm điện áp
- Mạch đảo chiều (Rf/Ri = 1) hoặc Rf/Ri thích
hợp để thay đổi tầm điện áp
- Ứng dụng: ví dụ như điều chỉnh ngõ ra của
DAC
• Mạch cộng
Vo = -Rf(V1/R1 + V2/R2 +… + Vn/Rn)
- Rf quyết định độ khuếch đại - Ri quyết định các trọng số và trở kháng đầu
Đo lường – Cảm biến
vào
Xử lý kết quả đo lường
1
• Mạch tích phân
v 0
v dt i
v ic
0
1 t
RC
- Vo sẽ bão hòa nếu ngõ vào Vi hở mạch
- Reset: S1 đóng, S0 mở - Tích phân: S1 mở, S0 đóng - Mạch chốt: S1 mở, S0 mở (V0
Đo lường – Cảm biến
được giữ không đổi)
Xử lý kết quả đo lường
• Mạch vi phân
R i
R A C 0
0
RC
v 0
idv dt
Đo lường – Cảm biến
- Không ổn định ở tần số cao - Để ổn định, thì
Xử lý kết quả đo lường
• Mạch so sánh Vi > Vr
Nếu Vi = Vr + small noise thì ngõ ra sẽ chuyển đổi rất nhanh giữa Vs
Vi < Vr
Vo = -Vs
Đo lường – Cảm biến
Vo = Vs
Xử lý kết quả đo lường
• Mạch so sánh với khâu trễ
- Vòng trễ - Loại bỏ được ảnh hưởng của
nhiễu nhỏ (small noise)
Đo lường – Cảm biến
Xử lý kết quả đo lường
• Mạch chỉnh lưu • Chỉnh lưu nửa sóng chính xác
• Chỉnh lưu toàn sóng chính xác
• Mạch giới hạn
Đo lường – Cảm biến
Xử lý kết quả đo lường
• Mạch lọc thông thấp thụ động bậc nhất
,
RC
1
1 j
V o V i
Đo lường – Cảm biến
Lọc các thành phần tần số cao Bậc của bộ lọc là số lượng của tụ C và cuộn L
Xử lý kết quả đo lường
• Mạch lọc thông cao thụ động bậc nhất
,
RC
1
j j
V o V i
Đo lường – Cảm biến
Lọc các thành phần tần số thấp
Xử lý kết quả đo lường
• Mạch lọc thông thấp thụ động bậc hai
1
1
1
2
(
)
j
/
) 1
V o V i
/ j c
1 (2 c
,
c
1 LC
R C L 2
Đo lường – Cảm biến
Dùng để tăng độ suy giảm của hàm truyền
Xử lý kết quả đo lường
• Mạch lọc thông cao thụ động bậc hai
1
1
1
2
j
2 (2
(
)
/
) 1
V o V i
j / c
c
,
c
1 LC
R C L 2
Đo lường – Cảm biến
Dùng để tăng độ suy giảm của hàm truyền
Xử lý kết quả đo lường
• Mạch lọc thông thấp tích cực bậc một
Đo lường – Cảm biến
Dùng khuếch đại đảo và hồi tiếp tụ điện Đáp ứng tần số giống như bộ lọc thụ động Trở kháng đầu ra rất thấp
Xử lý kết quả đo lường
• Mạch lọc thông cao tích cực bậc một
Đo lường – Cảm biến
Dùng khuếch đại đảo và hồi tiếp tụ điện Đáp ứng tần số giống như bộ lọc thụ động Trở kháng đầu ra rất thấp
Xử lý kết quả đo lường
• Mạch lọc thông thấp tích cực bậc cao
• Mạch lọc thông cao tích cực bậc cao
Đo lường – Cảm biến
Giao tiếp nối tiếp
• Parallel Vs. Serial
• Ưu điểm của giao tiếp nối tiếp so
– 1 clock for 4 bit transfer
với song song – Truyền dữ liệu xa hơn – Chỉ cần 1 dây data – Ít dây, các bộ truyền và nhận
hơn
– Dùng nhiều trong thương mại, như đường dây điện thoại hoặc data
– 4 clock for 4 bit transfer
Đo lường – Cảm biến
24
Bắt tay
•
• DTE (Data Terminal Equipment) – Terminal hay Computer • DCE (Data Communications
Là quá trình sử dụng các tín hiệu để thiết lập truyền thông có điều kiện • Qui trình
Equipment) – Modem hay Printer
– Transmitter kích hoạt RTS – Receiver cảm nhận CTS bằng
interrupt hay Polling – Receiver kích hoạt RTS – Transmitter cảm nhận được
CTS
– Transmitter gửi Data
Đo lường – Cảm biến
25
• Transmitter chờ đến khi ngõ vào CTS được kích hoạt
Giao tiếp nối tiếp không đồng bộ
• Ví dụ, truyền kí tự ‘S’
•
– Start + 7 bit Data + Parity +
Stop bit
Serial Communication – Không đồng bộ
• Không có thông tin xung
clock
– 50 ~ 5.6Kbps
– Đồng bộ
– Tần số xung clock là bội số của tốc độ truyền bit)
• Truyền một lúc một kí tự • Tốc độ • Start: 1 bit • Data: 5 ~ 8 bit • Parity: Even/ Odd/ None • Stop: 1 ~ 2 bit
• Dùng xung clock để đồng
bộ
• Truyền nhiều kí tự hoặc
Đo lường – Cảm biến
26
nhiều bit một lúc
RS-232C
• Mức tín hiệu EIA RS-232C
• RS-232
– Dùng cho giao tiếp DTE
tới DCE
– Được dùng để giao tiếp với hầu như tất cả các thiết bị, kể cả PC – 25-Pin D connector • 9-Pin rất phổ biến
Đo lường – Cảm biến
27
Connector 9 chân
Sơ đồ chân
Đo lường – Cảm biến
28
Connector 25 chân
RS-232C Interface Cabling
•
Ideal Case
• Minimal Cabling
Đo lường – Cảm biến
29
