Lectures Chapter 6: Analog Interfacing

Chia sẻ: Đinh Gấu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:55

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

In this Chapter: Analog signal interface overview, analog electronics-conditioner, digital to analog converters, analog to digital converters, DAS-SCADA-DCS/QCS.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Lectures Chapter 6: Analog 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
6.1. analog 6.1. Analog signalInterface signal interface overview: 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 3 Hình 6.02a. Mô hình ghép nối tín hiệu analog Ch6 Analog 4 2
Hình 6.02-b. Mô hình Hệ Đo lường - Điều khiển số Ch6 Analog 5 • 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; Cặp nhiêt Chromel – Alumel => 40uV/oC… – Thiết bị: có sự gia công/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
• 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 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 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
• 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 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 9 H. 6.2c. Mô hình hệ DCS Distributed Control System Ch6 Analog 10 5
H. 5.02d. Mô hình hệ SCADA Ch6 Analog 11 Supervisory – Control – And Data Acquisition System 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
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 H603. Operational Amplifier (OpAmp) tần số 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
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
Hình 6.05b. Nói thêm: cho mạch điều khiển đóng cắt Ch6 Analog 17 Hình 6.05c Ch6 Analog 18 9
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
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
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
Hình 6.05-k, giống như low pass Xd các mạch: Band pass, thông 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
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 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… Ch6 Analog 28 14
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
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 tôi 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
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
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 => Không dùng để khóa tín hiệu áp quá thấp Biên độ tín hiệu: Vss
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 thường dùng mạch follower để loại trừ Ron ICs: CD 4051, 74HC4051 (TI), DG508A, 509A (Maxim) Ch6 Analog 38 19
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 dòng rò 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