Thiết bị ngoại vi và ghép nối . chương 6

Chia sẻ: Nguyen Thi Ngoc Hoa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

Thêm vào BST

Báo xấu

157
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Là hàm của 1 (hoặc nhiều) biến độc lập, đại l−ợng 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 t0 - t1 • Giá trị biến thiên liên tục trong khoảng biên độ từ A0 đến A1 , có Ch6 thể đa trị. Analog 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...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thiết bị ngoại vi và ghép nối . chương 6

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: • Lµ hµm cña 1 (hoÆc nhiÒu) biÕn ®éc lËp, ®¹i l−îng vËt lý theo thêi gian: nh− tiÕng nãi, nhiÖt ®é... theo thêi gian: A=f(t,h) • XuÊt hiÖn liªn tôc trong kho¶ng thêi gian t0 - t1 • Gi¸ trÞ biÕn thiªn liªn tôc trong kho¶ng biªn ®é tõ A0 ®Õn A1 , cã Ch6 thÓ ®a trÞ. Analog 2 1
6.1. analog signal interface overview: • Trong thùc tÕ: Rêi r¹c hãa • Trong M¸y tÝnh sè, th«ng tin thu vÒ : • Rêi r¹c vÒ thêi gian • Rêi r¹c vÒ gi¸ trÞ • => ®Ó m¸y tÝnh thu thËp, cÇn ph¶i 'rêi r¹c hãa' c¸c tÝn hiÖu vÒ thêi gian vµ gi¸ trÞ, dïng thiÕt bÞ chuyÓn ®æi ADC t¹o ra c¸c tÝn hiÖu sè, ®Ó: • Xö lý, cÊt vµo kho sè liÖu • TruyÒn göi ®i xa • T¸i t¹o l¹i hay tæng hîp tÝn hiÖu: dïng thiÕt bÞ DAC t¹o l¹i c¸c tÝn hiÖu analog. Ch6 Analog 3 H×nh 6.02a. M« h×nh ghÐp nèi tÝn hiÖu analog Ch6 Analog 4 2
H×nh 6.02-b. M« h×nh HÖ §o l−êng - §iÒu khiÓn sè 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 – 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. 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 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 9 H. 6.2c. Mô hình hệ DCS Ch6 Analog 10 5
Ch6 Analog H. 5.02d. Mô hình hệ SCADA 11 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 • ... Ch6 Analog 12 6
6.2. analog electronics: 6.2.1. Opamp • Lµ vi m¹ch khuÕch ®¹i, nèi galvanic, xö lý th tõ 0Hz. • TÝn hiÖu gåm: • 2 ch©n tÝn hiÖu Inv. Inp vµ Non Inv. Input • Ch©n Output • Nguån cÊp: +Vcc, -Vcc( Gnd) • ChØnh Offset. H603. Operational Amplifier (OpAmp) • Cã thÓ cã thªm ch©n nèi tô bï tÇn sè Ch6 Analog 13 6.2.1. opamp: ®Æc ®iÓm opamp • Xö lý tÝn hiÖu dc (0 Hz up) • HÖ sè khuÕch ®¹i lín, tõ kilo... Mega... and even more... (GBW - Gain - band width Product, unit @ MHz) • Trë vµo lín vµi kΩ ®Õn 1012 Ω, trë ra nhá, 10s ®Õn 100sΩ, tèt cho c¸c m¹ch ghÐp nèi analog, phèi hîp trë kh¸ng. H×nh 6.04. ThiÕt bÞ 2 cöa Ch6 Analog 14 7
6.2.1. opamp: ®Æc ®iÓm opamp • Nguån cÊp d¶i réng, 1 hoÆc 2 dÊu: ±3Vdc to ±18Vdc • KhuÕch Vi sai (Differential Amplifier), lo¹i trõ nhiÔu tèt => CMRR (Common Mode Rejection Ratio - hÖ sè khö nhiÔu ®ång pha lín) up to 120dB • Band width/ Slew rate: B¨ng th«ng/ Tèc ®é t¨ng ®iÖn ¸p tèi ®a phÝa Output khi cöa vµo cã b−íc nh¶y ®¬n vÞ • UOffset: Khi cöa vµo =0 mµ cöa ra kh¸c 0. §iÖn ¸p tr«i theo thêi gian vµ nhiÖt ®é => chØnh Uoffset/ bias current • ICs: • Linear Monolithic: µA741 (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 H×nh 6.05a. Analog Comparator, dïng trong ADC Ch6 Analog 16 8
H×nh 6.05b. Ch6 Analog 17 H×nh 6.05c Ch6 Analog 18 9
H×nh 6.05d Ch6 Analog 19 H×nh 6.05e Ch6 Analog 20 10
H 6.05f: Differential apmlifier Ch6 Analog 21 H×nh 6.05-g. Instrumentation Ampl. Ch6 Analog 22 11
H×nh 6.05-h, dïng trong c¸c ADC tÝch ph©n 2 s−ên dèc, cã thêi gian C§ chËm, ®é ph©n ly, CX cao, rÎ Ch6 Analog 23 H×nh 6.05-j, Active filter, fc mµ t¹i ®ã biªn ®é tÝn hiÖu gi¶m 0.707 2nd order, -40dB/dec, biªn ®é th gi¶m 100 lÇn khi tÇn sè t¨ng 10 lÇn Ch6 Analog 24 12
H×nh 6.05-k, gièng nh− low pass ⇒Xd c¸c m¹ch: ⇒ Band pass, th«ng 1 d¶i ⇒Notch, ch¾n 1 d¶i Ch6 Analog 25 H×nh 6.05-l. M¹ch lÆp l¹i tÝn hiÖu (Follower), - BiÕn ®æi nguån t/h cã néi trë lín thµnh nguån s®® cã néi trë nhá, - Lo¹i trõ ®iÖn trë (®iÖn ¸p r¬i) trªn c¸c m¹ch trung gian – vÝ dô nh− lo¹i bá RON cña c¸c khãa analog. Ch6 Analog 26 13
H×nh 6.05-n. i/ U Converter - ghÐp nèi dac out - Th−êng dïng víi c¸c 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 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… Ch6 Analog 28 14
Một số chú ý khi sử dụng OpAmp • Dùng mạch cộng để dịch trục. Ví dụ: Sensor nhiệt độ LM335: – Range: -0oC … +100oC – Sensitivity: nếu cấp dòng từ 0,5-5mA =>10mV/oK, @ 0oC => 2,73V; 100oC => 3,73V. Nếu muốn đo theo OC => 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 Ch6 Analog 29 Case study 1: LM335 conditioning circuit Ch6 Analog 30 15
Case study 2: Loadcell Conditioning Circuit Ch6 Analog 31 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 Ch6 Analog 32 16
6.2.2. analog switches & multiplexers: a. Switches • Dïng cÆp transistor FET bï kªnh p vµ kªnh n => dÉn dßng ac • R(on) tõ 100Ω .. 1.5 kΩ • Off channel Leakage Current: 100 pA .. 1 nA => Kh«ng dïng ®Ó khãa tÝn hiÖu ¸p qu¸ thÊp • Biªn ®é tÝn hiÖu: Vss
6.2.2. analog switch & multiplexer: b.MUX • 2n switches nèi chung 1 cùc • n bit chän kªnh => 2n kªnh, 1 trong sè 2n kªnh ®−îc chän trong 1 thêi ®iÓm. • Chøc n¨ng MUX vµ DeMUX • Cã tÝn hiÖu Inhibit - cÊm tÊt c¶ c¸c kªnh • Biªn ®é tÝn hiÖu: Vss th−êng dïng m¹ch follower ®Ó lo¹i trõ Ron • ICs:Analog 4051, 74HC4051 (TI), DG508A, 509A (Maxim) 35 Ch6 CD 6.2.3. voltage reference - uref • Lµ c¸c vi m¹ch (super zener) t¹o ra c¸c ®iÖn ¸p cã ®é æn ®Þnh cao theo thêi gian vµ theo nhiÖt ®é m«i tr−êng • Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p theo thËp ph©n (2,5 / 5/ 10,00Vdc) hay nhÞ ph©n (5,12/ 10,24Vdc) • HÖ sè tr«i: 30..50 ppm/OC • C«ng thøc chuyÓn ®æi A/D vµ D/A n bit: bn-12n-1 + bn-22n-2 + ... + b121 + b020 Uanalog Uref ( ) 2n • C¸c vi m¹ch: LH0070, LM199s, LM136s (NS) Ch6 Analog 36 18
6.2.4. Sample & Hold (trÝch mÉu & gi÷) • TrÝch mÉu cña tÝn hiÖu vµo thêi ®iÓm cuèi cña xung Sample vµ gi÷ nguyªn gi¸ trÞ ®ã trong kho¶ng thêi gian l©u h¬n. • Dïng trong c¸c hÖ thu thËp sè liÖu khi tèc ®é biÕn thiªn tÝn hiÖu cao (t−¬ng ®èi) víi thêi gian ADC chuyÓn ®æi • Thu hÑp cöa sæ bÊt ®Þnh cña ADC - do thêi gian chuyÓn ®æi dµi (10s µs - ms) thµnh cöa sæ bÊt ®Þnh cña S&H (10s ns..µs) => n©ng cao ®é chÝnh x¸c chuyÓn ®æi A/D vµ n©ng cao tÇn sè tÝn hiÖu. • Thêi gian trÝch mÉu: vµi chôc ns ®Õn vµi µs • Tô gi÷ (Chold): dïng tô cã dßng rß rÊt nhá • Tèc ®é sôt ¸p: mV/s, tuú thuéc tô • Guard Ring: kü thuËt chÕ t¹o m¹ch gi¶m thiÓu dßng37 Ch6 Analog rß H×nh 6.08. Symbolic Sample & Hold ICs: LF189s (NS); AD585 (Analog Device Inc.) Ch6 Analog 38 19
Ch6 Analog 39 H×nh 6.09. BiÓu ®å chuyÓn ®æi tÝn hiÖu w/o [w] S&H Ch6 Analog 40 20