intTypePromotion=1

Bộ khuếch đại đồng bộ và các ứng dụng trong xử lý tín hiệu thiết bị bay

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

0
33
lượt xem
0
download

Bộ khuếch đại đồng bộ và các ứng dụng trong xử lý tín hiệu thiết bị bay

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo trình bày nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại đồng bộ (KĐĐB) hiện đại, phân tích các ứng dụng trong xử lý tín hiệu thiết bị bay, xây dựng mô hình mô phỏng để khảo sát đặc tính trong các dạng và chế độ hoạt động. Trên cơ sở nghiên cứu và mô phỏng, thiết kế, thử nghiệm mạch điện bộ KĐĐB phục vụ thiết kế thiết bị nhạy pha kiểu 165-ПФ trong thiết bị kiểm tra 150-ПКH. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bộ khuếch đại đồng bộ và các ứng dụng trong xử lý tín hiệu thiết bị bay

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> BỘ KHUẾCH ĐẠI ĐỒNG BỘ VÀ CÁC ỨNG DỤNG<br /> TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU THIẾT BỊ BAY<br /> Đỗ Tuấn Cương*, Trần Tuấn Nghĩa<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại đồng bộ<br /> (KĐĐB) hiện đại, phân tích các ứng dụng trong xử lý tín hiệu thiết bị bay, xây dựng<br /> mô hình mô phỏng để khảo sát đặc tính trong các dạng và chế độ hoạt động. Trên<br /> cơ sở nghiên cứu và mô phỏng, thiết kế, thử nghiệm mạch điện bộ KĐĐB phục vụ<br /> thiết kế thiết bị nhạy pha kiểu 165-ПФ trong thiết bị kiểm tra 150-ПКH.<br /> Từ khóa: Thiết bị bay, Xử lý tín hiệu, Bộ khuếch đại đồng bộ.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Bộ khuếch đại đồng bộ (KĐĐB) được sử dụng để phát hiện và đo các tín hiệu<br /> xoay chiều (AC) rất nhỏ, tới cỡ vài nano vôn, thậm chí khi bị bọc trong tạp lớn hơn<br /> hàng nghìn lần. Bộ KĐĐB sử dụng kỹ thuật được biết tới như là bộ tách sóng nhạy<br /> pha (TSNP) để lọc lấy thành phần tín hiệu tại một tần số và pha chuẩn định trước.<br /> Tín hiệu, tạp tại các tần số khác tần số chuẩn bị loại bỏ [1].<br /> Tạp, trong thực tế, tồn tại trên toàn bộ dải tần tín hiệu. Các nghiên cứu cho thấy<br /> tại dải tần số biến đổi chậm, tạp chủ yếu từ các nguồn nhiệt (tạp Johnson), tại dải<br /> tần cao hơn nguồn tạp đến từ các tạp ngắn, tạp 1/f , tạp trắng cường độ ổn định<br /> [2].Tạp ảnh hưởng mạnh tới chất lượng tín hiệu, nhất là ở vùng biến đổi chậm, yếu<br /> hơn tại các dải tần cao. Tuy nhiên, phần lớn các tín hiệu lại ở tần số thấp. Để đấu<br /> tranh với tạp trong kỹ thuật thường áp dụng nguyên tắc chuyển dịch tín hiệu lên<br /> dải tần cao hơn bằng điều chế. Để khôi phục tín hiệu, phía máy thu có hệ thống<br /> giải điều chế nhằm tách tín hiệu tại tần số điều chế, tạp tại các tần số khác bị loại<br /> bỏ. Bộ KĐĐB được sử dụng cho mục đích đó.<br /> 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT<br /> 2.1. Mô tả toán học của bộ KĐĐB<br /> Cơ sở lý thuyết của bộ KĐĐB dựa trên lý thuyết về hàm tương quan các tín<br /> hiệu tuần hoàn. Bộ KĐĐB có thể phát hiện tín hiệu và đo được các tham số của nó<br /> bằng sử dụng hàm tương quan, nhờ đó, có thể tách được tín hiệu rất nhỏ bị trùm<br /> hoàn toàn trong tạp. Hàm tương quan hai tín hiệu tuần hoàn có dạng:<br /> kT<br /> AB (1)<br /> R  kT ,     sin t   .sin t  dt<br /> kT 0<br /> <br /> <br /> Giới hạn trên của tích phân là kT, trong đó T là chu kỳ của tần số ω, k là số<br /> nguyên để xác định thời gian tích phân hữu hạn. Biểu thức (1) là biểu thức giải<br /> thích nguyên lý của bộ KĐĐB. Bộ KĐĐB xác định hàm tương quan R đó.<br /> Khảo sát chi tiết hơn bộ KĐĐB về mặt kỹ thuật. Giả sử tín hiệu vào bộ KĐĐB<br /> dạng hình sin với A là biên độ, f1 là tần số, có tạp cộng thêm N(t) có dạng như sau:<br /> g (t )  A sin(2 f1t )  N (t ) (2)<br /> Các bộ KĐĐB được cấp tín hiệu chuẩn dạng xung vuông có tần số f2 có nguồn<br /> gốc tương quan. Triển khai chuỗi Fourier của tín hiệu chuẩn có dạng như sau:<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 67<br /> Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br /> <br /> 4B (3)<br /> f (t ) <br /> <br />  sin[(2n  1)(2 f t   )]<br /> n 1<br /> 2<br /> <br /> <br /> <br /> Trong đó, B là biên độ tín hiệu, n là số bậc các hài thành phần, f2 là tần số tín<br /> hiệu chuẩn dạng xung vuông, φ là dịch pha điều chỉnh được từ người sử dụng bên<br /> trong bộ KĐ đồng bộ. Quá trình tách tín hiệu là trộn hai tín hiệu với nhau cho nên<br /> tín hiệu ra của bộ TSNP có dạng:<br />  4B  1 <br /> U (t )   A sin(2 f1t )  N (t )  .   sin  (2n  1)(2 f 2t   )  <br />   n 0 2 n  1  (4)<br /> 2 AB  1 2 AB  1<br />  cos 2  f1  (2n  1) f 2 )  t  (2n  1)    cos 2  f1  (2n  1) f 2 )  t  (2n  1) <br />  n  0 2n  1  n  0 2n  1<br />  4B  1 <br />  N (t )   sin  (2n  1)(2 f 2t   ) <br />   n 0 2n  1 <br /> Biểu thức (4) có thể được ước giản bằng bằng các biện pháp kỹ thuật như sau.<br /> Số hạng thứ hai chứa tổng các tần số sẽ bị lọc khi qua bộ lọc thông thấp (LTT),<br /> xem hình 1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ khối bộ KĐĐB.<br /> Nếu ta coi các tín hiệu là đồng bộ về tần số tức là f1=f2. Khi đó biểu thức của<br /> U(t) được ước giản như sau:<br /> 2 AB  1  4B  1  (5)<br /> U (t )   2n  1<br /> cos[4n ft  (2n  1) ]  N (t )  sin  (2n  1)(2 ft   )<br />  2n  1<br />  n 0  n 0 <br /> Số hạng thứ hai của biểu thức (5) chứa tạp, gây phức tạp cho xử lý. Nếu tạp là<br /> tín hiệu tần số đơn nó có thể đi qua bộ LTT. Nếu tạp có một dải tần số hoặc các hài<br /> bậc cao của tín hiệu cần đo thì đầu ra của tạp và tín hiệu chuẩn sau khi TSNP sẽ có<br /> mức DC và sẽ phản ánh tới đầu ra bộ KĐĐB sau khi đi qua bộ LTT. Điều đó dẫn<br /> tới tạp ở đầu ra tăng, thành phần hài đầu ra bị ảnh hưởng và tăng dẫn tới khả năng<br /> nén tạp của bộ TSNP bị suy giảm. Phương pháp xử lý là thêm bộ lọc dải trước bộ<br /> TSNP để bỏ số hạng cuối của (5). Khi đó (5) có thể viết thành:<br /> 2 AB  1 (6)<br /> U (t )   cos[4n ft  (2n  1) ]<br />  n0 2n  1<br /> Tín hiệu ra từ bộ TSNP sau đó đi qua bộ LTT để loại bỏ các thành phần tần số<br /> cao, tức là ta chỉ quan tâm tới thành phần tín hiệu khi n=0, đi tới đầu ra bộ KĐĐB<br /> bộ như một tín hiệu DC cần nhận được. Khi đó từ Từ (6) ta có:<br /> 2 AB (7)<br /> U (t )  cos <br /> <br /> Công thức (7) chính là biến đổi toán học của bộ KĐĐB trong chế độ đồng bộ.<br /> Nếu các tín hiệu không đồng bộ về tần số, f1≠f2, thì bộ KĐĐB hoạt động trong<br /> chế độ không đồng bộ. Bằng các lập luận tương tự, biểu thức (4) được rút gọn<br /> thành:<br /> <br /> <br /> 68 Đ. T. Cương, T. T. Nghĩa, “Bộ khuếch đại đồng bộ… trong xử lý tín hiệu thiết bị bay.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2 AB (8)<br /> U (t )  cos 2 ( f 1  f 2)t<br /> <br /> Ta có thể rút ra một số kết luận như sau về bộ KĐĐB:<br /> Trong chế độ đồng bộ khi ω1=ω2 (f1=f2):<br /> Nếu biên độ B của tín hiệu chuẩn cố định, φ=0 thì tín hiệu ra từ bộ KĐĐB là<br /> một tín hiệu DC mà giá trị của nó tỷ lệ tuyến tính với biên độ tín hiệu A: U(t)=k1A<br /> với k1=(2B)/π;<br /> Nếu giữa tín hiệu cần đo và tín hiệu chuẩn có góc lệch pha, nếu các biên độ tín<br /> hiệu A, B được chuẩn hóa thì tín hiệu ra của bộ KĐĐB còn tỷ lệ tuyến tính với<br /> cosin góc pha φ giữa nó và tín hiệu chuẩn: U(t)=k2cosφ với k2=(2AB)/π ;<br /> Trong chế độ không đồng bộ, khi ω1≠ω2. điện áp ra tỷ lệ với các biên độ và<br /> cosin hiệu các tần số.<br /> Căn cứ vào các phân tích trên, sơ đồ khối một bộ KĐĐB có dạng như hình 1.<br /> 2.2. Mô tả nguyên lý hoạt động, các chế độ hoạt động của bộ KĐĐB<br /> Nguyên lý hoạt động của bộ KĐĐB được giải thích trên hình 2a. Tới các đầu<br /> vào là tín hiệu điều chế thu được và tín hiệu chuẩn dạng xung vuông. Các tín hiệu<br /> được cấp tới bộ nhân làm việc như các khóa điện tử. Có hai khóa điện tử M1, M2.<br /> Các khóa Mx được điều khiển bằng tín hiệu chuẩn và đảo của nó.<br /> Tín hiệu chuẩn điều khiển khóa Mx sao cho nó nối tới đầu vào nào mà tín hiệu<br /> tại thời điểm đó dương. Khả năng đó chỉ xảy ra khi tín hiệu chuẩn đồng bộ với tín<br /> hiệu đầu vào. Góc dịch pha giữa tín hiệu chuẩn và tín hiệu vào là φ. Khi φ=0o, tại<br /> đầu ra của khóa ta thu được tín hiệu dạng chỉnh lưu hai bán kỳ, hình 2b. Tiếp theo,<br /> tín hiệu đi qua bộ lọc thông thấp (LTT) để làm phẳng điện áp được chỉnh lưu. Tại<br /> đầu ra bộ lọc điện áp sẽ bằng 2/πUc.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b) (c)<br /> Hình 2. Sơ đồ cấu trúc và giải thích nguyên lý làm việc bộ KĐĐB (a, b);<br /> Đặc tính tần số của bộ KĐĐB (c).<br /> Nếu φ=180o thì tín hiệu ra thay đổi cực tính do bộ khóa chỉ cho qua các điện áp<br /> âm. Nếu φ= 90o thì khóa sẽ cho cả tín hiệu âm và dương đi qua, hình 2b. Tại đầu ra<br /> bộ LTT tín hiệu sẽ bằng không. Phân tích sơ đồ với φ bất kỳ dẫn tới kết luận rằng<br /> tại đầu ra bộ LTT tín hiệu bằng 2/π(Uccosφ). Đó là tính chất phụ thuộc vào pha của<br /> KĐĐB. Nó có thể làm việc như một bộ TSNP. Nếu cùng với một bộ KĐĐB đã cho<br /> cấp ra đầu ra tín hiệu bằng 2/π(Uccosφ), sử dụng thêm một bộ khác giống thế<br /> nhưng pha tín hiệu chuẩn dịch so với tín hiệu chuẩn bộ thứ nhất 90o, thì tại đầu ra<br /> bộ KĐĐB thêm này sẽ có tín hiệu bằng 2/π(Ucsinφ). Nhờ vậy, bộ KĐĐB có khả<br /> năng tách phần thực và phần ảo của tín hiệu.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 69<br /> Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br /> <br /> Ta xem xét hoạt động của bộ KĐĐB trong chế độ không đồng bộ. ω1 là tần số<br /> của tín hiệu đầu vào, ω2 là tần số tín hiệu chuẩn, khi đó lệch pha giữa hai tín hiệu<br /> là φ=(ω1-ω2)t. Kết quả là tại đầu ra bộ KĐĐB thu được một tín hiệu xoay chiều<br /> với tần số hiệu. Trên hình 2c cho thấy đặc tính phổ của một bộ KĐĐB [3]. Các<br /> cộng hưởng được quan sát thấy tại hiệu tần số 0 tức là ω1=ω2, tiếp theo tại các tần<br /> số 3ω2, 5ω2 … Phổ tín hiệu ra của bộ KĐĐB theo tần số như vậy gây khó khăn cho<br /> việc sử dụng bộ KĐĐB. Để khắc phục, trước bộ KĐĐB phải có một hệ thống chọn<br /> tần số (bộ lọc dải) để chế áp các dải tần không mong muốn (hình 1).<br /> Nếu bộ KĐĐB làm việc trong chế động đồng bộ, tính chất chọn lọc của nó xuất<br /> hiện đối với tín hiệu đã được tách. Bộ KĐĐB thường được dùng hơn trong chế độ<br /> đồng bộ. Để làm việc đó cần có tín hiệu chuẩn đồng bộ kèm theo. Trong chế độ<br /> không đồng bộ, tại đầu ra nhận được tín hiệu hiệu các tần số.<br /> 3. ỨNG DỤNG BỘ KĐĐB TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU THIẾT BỊ BAY<br /> VÀ ĐO KIỂM THAM SỐ<br /> Hai lý do thực tế để sử dụng bộ KĐ đồng bộ trong kỹ thuật là: khả năng phát<br /> hiện và đo các tín hiệu nhỏ trên nền nhiễu; để TSNP (khả năng này thường được sử<br /> dụng trong các ứng dụng kỹ thuật như các bộ điều khiển). Ứng dụng của KĐĐB<br /> trong thiết bị (TB) bay đa dạng. Ta khảo sát mô hình của khối tự động lái TB bay<br /> “I” [5], xem hình 3a, bằng công cụ mô phỏng mạch điện Proteus. Bộ KĐĐB làm<br /> việc trong chế độ không đồng bộ. Bộ KĐĐB có cấu trúc kinh điển (như hình 1)<br /> nhưng cấu tạo từ linh kiện điện tử mới. Bộ nhân được xây dựng trên vi mạch<br /> 820XA6. Mô phỏng cho vi mạch 820XA6 là U1, các bán dẫn Q1, Q2 và các linh<br /> kiện thụ động lân cận. Bộ LTT trên U3.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> Hình 3. Sơ đồ bộ KĐĐB của khối tự động lái TB bay Igla (a);<br /> Kết quả mô phỏng hoạt động (trích màn hình ô xi lô) (b).<br /> <br /> (b)<br /> <br /> (c)<br /> <br /> <br /> (d)<br /> (a)<br /> Hình 4. Sơ đồ bộ KĐĐB trong khối УСС khí tài ZSU-23: Sơ đồ điện (a);<br /> Kết quả mô phỏng khi pha thay đổi (b,c,d).<br /> <br /> <br /> <br /> 70 Đ. T. Cương, T. T. Nghĩa, “Bộ khuếch đại đồng bộ… trong xử lý tín hiệu thiết bị bay.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Mô phỏng hoạt động của bộ KĐĐB bằng cấp tới các đầu vào tín hiệu “Signal”<br /> 100 Hz, tín hiệu “Synch” 115 Hz (tia 1 và 2 hình 3b). Hiệu 15 Hz đại diện cho tốc<br /> độ quay quanh thân của TB bay. Qua bộ KĐĐB ta thu được tín hiệu hình sin 15 Hz<br /> để điều khiển máy lái (tia 4 hình 3b). Đây là ví dụ điển hình của ứng dụng bộ<br /> KĐĐB trong điều khiển TB bay.<br /> Một ví dụ khác về bộ KĐĐB hoạt động trong chế độ đồng bộ. Sơ đồ hình 4 là<br /> của bộ KĐĐB trong khối УСС khí tài ZSU-23 [6]. Sơ đồ gồm hai bộ nhân Q1, Q3<br /> và Q2, Q4 được điều khiển ngược pha. Tín hiệu ra của chúng được cộng trên R12.<br /> Tín hiệu vào “Signal” và tín hiệu đồng bộ “Synch” đều có tần số 100 Hz. Khi mô<br /> phỏng, pha tín hiệu “Signal” so với “Synch” thay đổi. Khi “Signal” và “Synch”<br /> đồng pha ta có dạng sóng trên hình 4a, khi ngược pha, trên hình 4c, khi lệch pha<br /> 90o, trên hình 4d. Tín hiệu ra của bộ KĐĐB trong khối УСС khí tài ZSU-23 hoàn<br /> toàn phụ thuộc vào pha hai tín hiệu đầu vào.<br /> Để phát hiện và đo lường các tín hiệu nhỏ, các thiết bị dựa trên các bộ KĐĐB<br /> được sử dụng. Ví dụ thiết bị SR510 và SR530 của Stanford Research Systems<br /> (SRS), xem hình 5a. Các thiết bị của SRS để đo tín hiệu nhỏ, độc lập nên có cấu<br /> tạo phức tạp. Thiết bị nhạy pha 165-ПФ nằm trong tổ hợp đo kín được sử dụng để<br /> đo kiểm tham số khối điện tử cơ cấu phóng tổ hợp TB bay, xem hình 5b, nên có<br /> cấu tạo đơn giản hơn. Kỹ thuật analog với thế mạnh về xử lý các tín hiệu cực nhỏ<br /> nên cả hai thiết bị trên đều dựa trên các bộ KĐĐB kiểu analog.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a)<br /> (b)<br /> Hình 5. Thiết bị SR510 và SR530 của SRS (a),<br /> thiết bị 165-ПФ trên giá thử 150-ПКH (b).<br /> 4. XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH CỦA BỘ KĐĐB VÀ MÔ PHỎNG<br /> 4.1. Xây dựng các mô hình Matlab Simulink và mô phỏng<br /> 4.1.1. Mô hình Matlab Simulink cơ bản của bộ KĐĐB<br /> Trước hết, ta xây dựng mô hình cơ bản của bộ KĐĐB. Theo mô tả trên hình 2,<br /> mô hình một bộ KĐĐB cơ bản gồm có bộ TSNP trên các bộ nhân 1, 2, bộ đảo tín<br /> hiệu và đảo “NOT”; bộ LTT Butterworth cho đáp tuyến tần số trong dải thông<br /> bằng phẳng; bộ KĐ “Gain2”, xem hình 6a. Mô phỏng bộ KĐĐB trong chế độ đồng<br /> bộ. Để mô phỏng, ta cấp tới đầu vào tín hiệu hình sin 100 Hz từ “Signal Generator<br /> 2” và tín hiệu chuẩn dạng xung vuông tần số 100 Hz và có pha điều chỉnh được từ<br /> “Signal Generator 1”. Với các pha khác nhau ta có các kết quả xác định pha tại đầu<br /> ra “Gain2” khác nhau, xem hình 6b,c,d. Trên hình thì tia đầu tiên là tín hiệu vào,<br /> tia thứ hai là tín hiệu chuẩn, tia thứ ba là tín hiệu đầu ra bộ TSNP, tia thứ tư là tín<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 71<br /> Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br /> <br /> hiệu ra sau bộ LTT và KĐ “Gain2”. Khi tín hiệu và tín hiệu chuẩn trùng pha (hình<br /> 5b), tại đầu ra bộ nhân ta thu được dạng tín hiệu “bát úp” dương. Sau LTT ta có giá<br /> trị pha đo được bằng “+1”. Khi pha tín hiệu và đồng bộ lệch 180o (hình 6c) thì tại<br /> đầu ra TSNP có tín hiệu dạng “bát úp” âm. Sau LTT ta có giá trị pha đo được bằng<br /> “-1”. Khi tín hiệu và đồng bộ lệch pha 90o, hình 6d, thì tại đầu ra TSNP ta thu được<br /> tín hiệu AC dạng hình sin bị cắt pha tại 90o, qua bộ LTT ta có tín hiệu bằng “0”.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (c) (d)<br /> Hình 6. Mô hình Matlab Simulink của một bộ KĐĐB (a); Kết quả mô phỏng làm<br /> việc bộ KĐĐB: Khi tín hiệu và tín hiệu chuẩn trùng pha (a); nghịch pha (b);<br /> lệch pha 90o (c).<br /> Kết luận: Với mô hình bộ KĐĐB tại hình 6a, các kết quả mô phỏng tại hình<br /> 6b,c,d, đã làm sáng tỏ nguyên lý hoạt động của bộ KĐĐB được phân tích và minh<br /> họa tại hình 2. Với biên độ tín hiệu vào không đổi, giá trị tín hiệu ra tỷ lệ với độ<br /> lệch pha giữa tín hiệu chuẩn và tín hiệu vào.<br /> 4.1.2. Mô hình Matlab Simulink cải thiện<br /> Từ mô hình cơ bản của bộ KĐĐB, ta xây dựng mô hình bộ KĐĐB để khảo sát<br /> khả năng tách tín hiệu nhỏ trên nền nhiễu gồm có: máy phát điều chế; bộ KĐĐB<br /> và các máy đo, hình 7.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Mô hình bộ KĐĐB.<br /> <br /> <br /> 72 Đ. T. Cương, T. T. Nghĩa, “Bộ khuếch đại đồng bộ… trong xử lý tín hiệu thiết bị bay.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (c) (d)<br /> Hình 8. Kết quả mô phỏng mô hình bộ KĐĐB khi tín hiệu vào không nhiễu (a); khi<br /> tín hiệu vào có tạp mạnh (b); Phổ tín hiệu vào (c); phổ tín hiệu ra (d).<br /> Máy phát phát tín hiệu điều chế biên độ-pha tín hiệu 100 Hz với sóng mang<br /> 10kHz. Máy phát điều chế có thể cộng thêm tạp trắng để khảo sát khả năng lọc<br /> nhiễu của bộ KĐĐB. Dạng tín hiệu tạo giả có dạng trên hình 8a (tia2) khi không có<br /> tạp, hình 8b (tia2) khi cộng thêm tạp. Bộ KĐĐB có cấu trúc như trên hình 6a còn<br /> có thêm mạch phối hợp đầu vào gồm bộ LTT và bộ lọc thông cao (LTC), bộ KĐ<br /> đầu vào, xem hình 7. Để quan sát hoạt động của bộ KĐĐB ta ngoài máy hiện sóng<br /> “Scope” còn sử dụng thêm 2 máy đo mật độ phổ “Average Power Spectral<br /> Density” để quan sát phổ tín hiệu đầu vào và đầu ra. Ta nối lần lượt các tín hiệu<br /> đầu vào gốc tới tia 1, tín hiệu máy phát điều chế tới tia 2, tín hiệu sau TSNP của bộ<br /> KĐĐB tới tia 3 và tín hiệu ra của bộ KĐĐB tới tia 4 của máy hiện sóng “Scope”.<br /> Nối các đầu ra của máy phát điều chế và của bộ KĐĐB tới các máy đo mật độ phổ.<br /> Ta tiến hành mô phỏng. Kết quả mô phỏng thể hiện trên hình 8a,b,c,d.<br /> Nhận xét và kết luận: Khi không có tạp, tín hiệu điều chế qua KĐĐB đã được<br /> giải điều chế và thu được tín hiệu 100 Hz sạch, hình 8a. Khi có thêm tạp trắng bộ<br /> KĐĐB cũng thực hiện tốt việc tách tín hiệu, hình 8b. Phổ tín hiệu đầu vào khi có<br /> tạp thể hiện một phân bố ngẫu nhiên, hình 8c. Sau khi đi qua bộ KĐĐB phổ tín<br /> hiệu chỉ còn tập trung ở miền tần số lân cận 100 Hz, hình 8d, chứng tỏ tính chất lọc<br /> tín hiệu nhỏ trên nền nhiễu của bộ KĐĐB.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 73<br /> Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br /> <br /> 4.1.3. Mô hình Matlab Simulink với bộ tự động điều chỉnh khuếch đại (AGC)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 9. Mô hình bộ KĐ ĐB có hệ thống tự động điều khiển KĐ AGC.<br /> Ta thêm vào cấu trúc bộ KĐĐB trên hình 7 một bộ AGC được xây dựng trên<br /> các bộ nhân 5, 6, bộ lọc 4, các bộ tổng S4, S5, bộ đảo 3 và bộ điều khiển PID, xem<br /> hình 9. Ngưỡng AGC được đưa vào từ khối hằng số 3. Cấu hình như vậy sẽ giúp<br /> ích cho việc phát hiện và đo tín hiệu nhỏ. Sau khi điều chỉnh bộ AGC và tiến hành<br /> mô phỏng với tín hiệu bọc trong tạp trắng có tỷ số S/N khoảng -100db ta có kết<br /> quả trên hình 10.<br /> Kết luận: Khi trong cấu trúc bộ KĐĐB<br /> có bộ AGC thì tín hiệu ra ổn định hơn<br /> hẳn. Nhờ có AGC trong KĐĐB ta có thể<br /> ổn định được mức tín hiệu ra dù tín hiệu<br /> vào rất nhỏ và trong nhiễu mạnh qua đó<br /> phát hiện tín hiệu (từ mục tiêu). Ta có thể<br /> căn cứ vào độ ổn định tín hiệu đo được,<br /> Hình 10. Kết quả mô phỏng bộ kết hợp với mức AGC, KĐ đầu vào và ra<br /> KĐĐB có AGC với tín hiệu có nhiễu. để đo tín hiệu nhỏ.<br /> Các bộ KĐĐB hiện đại là thiết bị phức tạp. Để đo tín hiệu nhỏ việc gia công tín<br /> hiệu trước khi đưa tới bộ KĐĐB được thực hiện cẩn thận nhờ mạch phối hợp đầu<br /> vào có các bộ lọc dải thích nghi chất lượng cao, bộ tổng hợp tần số bám dựa trên<br /> PLL, bộ LTT chất lượng ở đầu ra. Các kỹ thuật trên đều khá phức tạp và cần<br /> nghiên cứu kỹ. Do khuôn khổ bài báo nên nhóm tác giả không đề cập sâu.<br /> Để thiết kế thiết bị nhạy pha kiểu 165-ПФ nhóm tác giả đã xây dựng bộ KĐĐB<br /> dựa trên vi mạch điều chế-giải điều chế cân bằng AD630 [8], sử dụng công cụ mô<br /> phỏng mạch điện Proteus. Kết quả mô phỏng đã khẳng định tính đúng đắn của các<br /> phân tích tại mục 2 và mô phỏng Matlab Simulink tại mục 4.<br /> 5. THIẾT KẾ THỬ BỘ KĐĐB VÀ THỬ NGHIỆM<br /> Bảng mạch thử nghiệm (breadboard) có bộ điều chế được thực hiện trên vi<br /> mạch AD630 để điều chế tín hiệu vào dạng hình sin biến đổi chậm tần số 0,5 Hz<br /> với tín hiệu chuẩn xung vuông 10 V, 800 Hz; bộ tạo tạp trắng, xem hình 11b. Tín<br /> hiệu sau điều chế bị suy giảm qua bộ phân áp từ điện trở 1MΩ và biến trở 50kΩ.<br /> Tạp trắng có thể chỉnh được mức nhờ phân áp từ biến trở 50kΩ và điện trở 10kΩ.<br /> Tín hiệu sau suy giảm cộng với tạp trắng được cấp tới KĐĐB gồm bộ TSNP trên<br /> <br /> <br /> <br /> 74 Đ. T. Cương, T. T. Nghĩa, “Bộ khuếch đại đồng bộ… trong xử lý tín hiệu thiết bị bay.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> vi mạch AD630, bộ lọc đầu ra trên vi mạch LM301.Tại đây tín hiệu được khuếch<br /> đại tại mạch đầu vào, sau đó, cấp tới đầu vào AD630.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (b) (c)<br /> Hình 11. Bảng mạch bộ KĐ ĐB thử nghiệm và bộ thiết bị đo kiểm (a); Bảng<br /> mạch thử nghiệm (b); Ảnh in từ màn hình ô xi lô Protek 4200.<br /> Nhóm tác giả dùng máy phát cấp tín hiệu biên độ 50 mV tới đầu vào, hình 11a.<br /> Tín hiệu cấp vào bị suy giảm ở mức 626 lần bằng chiết áp. Bộ tạo tạp trắng là một<br /> mạch điện tự lắp nên không đo định lượng được mức tạp cộng thêm. Ta sử dụng<br /> chiết áp chỉnh mức tạp để chỉnh cho tín hiệu ra mất ổn định sau đó chỉnh cho tín<br /> hiệu ra ổn định trở lại, xem hình 15c. Khi tín hiệu ổn định, mức tạp bằng 35 mV.<br /> Như vậy, tín hiệu bị “trùm” trong tạp lớn gấp gần 450 lần. Với mức S/N như vậy<br /> mạch thử nghiệm đã tách được tín hiệu hình sin biến đổi chậm ở mức gần 80 μV,<br /> xem hình 11c.<br /> Kết luận: Mạch điện thử nghiệm thực tế đã minh họa chính xác cho các phân<br /> tích và mô phỏng đã thực hiện ở mục 3, 4.<br /> 6. KẾT LUẬN<br /> Bộ KĐĐB được dùng để phát hiện và đo các tín hiệu nhỏ trên nền nhiễu mạnh,<br /> để xác định giá trị các tham số của tín hiệu. Bộ KĐĐB hiện đại được sử dụng rộng<br /> rãi trong kỹ thuật đo lường và điều khiển, kể cả trong lĩnh vực quân sự.<br /> Các mô hình Simulink đã làm sáng tỏ nguyên lý hoạt động của bộ KĐĐB. Các<br /> tác giả đã xây dựng được các mô hình hoàn thiện giúp cho nghiên cứu thiết kế các<br /> bộ phát hiện mục tiêu hoặc thiết bị đo có độ nhạy, độ chính xác cao phục vụ thiết<br /> kế chế tạo khí tài quân sự mới.<br /> Các phân tích lý thuyết, kết quả mô phỏng và thử nghiệm mạch điện là cơ sở<br /> đầy đủ cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị nhạy pha kiểu 165-ПФ phục vụ<br /> đo kiểm các tham số cơ cấu phóng TB bay Igla.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Stanford reseach System (SRS), “Application Note #3: About Lock-In<br /> Amplifiers”, tr 1.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 75<br /> Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br /> <br /> [2]. Martin van Exter, “Noise and signal processing” , Universiteit Leiden,<br /> August 2003, tr. 19-30.<br /> [3]. Петин Г.П, PГУ, г Ростовского-на-Дону, “Ключевой синхронный<br /> детектор”, стр. 2.<br /> [4]. Electro Optical Components, Inc, Application note, “Lock-In Amplifier”.<br /> [5]. Bản vẽ thiết kế khối 4, khối điện tử khí tài tự dẫn hồng ngoại, (Nga).<br /> [6]. Bộ tài liệu mô tả kỹ thuật các hệ thống khí tài ZSU-23, (Nga).<br /> [7]. Stanford Research Systems,“Model SR510 lock in amplifier”, pp. 24-33.<br /> [8]. Analog Device,“Balanced Modulator/Demodulator AD630”, 2015, pp. 1-20.<br /> <br /> ABSTRACT<br /> LOCK IN AMPLIFIER (LIA) AND ITS APPLICATIONS IN<br /> SIGNAL PROCESSING ON FLYING EQUIPMENTS<br /> An operational principle of a modern lock in amplifier (LIA) is presented<br /> in the article which analysis of some of its applications in signal processing<br /> on flying equipments, building simulating models for characteristic<br /> surveying in its operational forms and modes. Then, on the base of<br /> researching and simulating of LIA models the article refers to the results of<br /> experiments of LIA breadboard for design of a alternative device for phase<br /> sensing device 165-ПФ.<br /> Keywords: Flying equipment, Signal processing, Lock-in amplifier.<br /> <br /> Nhận bài ngày 15 tháng 6 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 20 tháng 8 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 9 năm 2016<br /> <br /> <br /> Địa chỉ: Viện Tên lửa/Viện KH-CN Quân sự;<br /> *<br /> Email: dotuancuong64@yahoo.com.vn.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 76 Đ. T. Cương, T. T. Nghĩa, “Bộ khuếch đại đồng bộ… trong xử lý tín hiệu thiết bị bay.”<br />
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2