Analog tín hiệu điện áp trung bình năm 2024
|
Có rất nhiều người nói rằng khi đi học chỉ biết tín hiệu analog chỉ là tín hiệu 0-10V hoăc 0-5V nên hầu như không có/ có rất ít kiến thức gì về tín hiệu 4-20mA. Tuy nhiên, khi đi làm thực tế thì hầu như hơn 80% đều là dùng tín hiệu dòng 4-20mA. Vậy tại sao tín hiệu dòng 4-20mA lại phổ biến như vậy? Show
Có những lý do sau: 1.Tín hiệu áp 0-10V bị suy giảm tín hiệu và dể bị nhiễu Các tín hiệu analog từ các cảm biến đưa về có thể cách xa tủ điều khiển trung tâm từ 100m đến 1km là chuyện rất bình thường. Trước kia các cảm biến dùng tín hiệu analog 0-10V để truyền về PLC, với khoảng cách xa như vậy việc sụt áp tín hiệu là điều thường thấy trên các tín hiệu Analog dòng 0-10V hoặc 0-5V. Một điều ít ai biết nữa chính là tín hiệu dòng 0-10V rất dể bị nhiễu bởi các dây động lực hoặc sóng hài hoặc motor hay biến tần khi dây tín hiệu đi ngang qua các thiết bị này. Chính vì thế trong điều khiển sẽ phát sinh ra bộ cách ly tín hiệu hay bộ khuếch đại tín hiệu để chống nhiễu trên tín hiệu analog dòng 4-20mA hoặc analog áp 0-10V. 2. Tín hiệu dòng 4-20mA không bị suy giảm bởi khoảng cách? Câu hỏi đầu tiên mọi người khi đọc được thông tin “tín hiệu dòng 4-20mA không bị suy giảm bởi khoảng cách” là “vậy nó truyền được bao xa” hoặc một số người không tin vào điều này. Nguồn dòng hay nguồn cấp dòng hoặc tiêu thụ dòng là nguồn có tổng trở rất lớn. Chính vì thế mà tín hiệu analog dòng 4-20mA ít bị ảnh hưởng bởi điện trở của dây ngoại trừ tổng trở của dây dẩn quá lớn vượt qua ngưỡng cho phép. Các tín hiệu làm nhiễu như biến tần, sóng hài, motor phát ra từ trường thường là xung điện áp. Chính vì thế với nguồn tín hiệu là nguồn dòng và tải tín hiệu lại có điện trở nhỏ, các xung nhiễu điện áp gần như ít bị ảnh hưởng. Tuy nhiên đó chỉ là các ảnh hưởng nhỏ của tác động ngoại vi bên ngoài có công suất nhỏ, trong trường hợp các Motor hay biến tần có công suất lớn thì việc chống nhiễu là một điều không dể dàng. Lúc đó chúng ta phải mất tiền để mua thêm bộ lọc nhiễu. Ngoài ra tín hiệu dòng 4-20mA có thể truyền trên 2 dây, tức là nguồn và tín hiệu chung giúp tiết kiệm dây dẩn so với tín hiệu dòng 4-20mA loại 3 dây. Chúng ta hay gọi đó là nguồn 4-20mA loop power *** Tín hiệu 4-20mA 2 dây và tín hiệu 4-20mA 3 dây Tín hiệu 4-20mA có hai dạng là tín hiệu 4-20mA Passive (không nguồn – 2 dây) và tín hiệu 4-20mA Active (có nguồn – 3 dây). Rất nhiều người không phân biệt được giữa tín hiệu 4-20mA Active và tín hiệu 4-20mA Passive. Tín hiệu 4-20mA 2 dây hay còn gọi là tín hiệu 4-20mA passive tức là không cần nguồn cấp mà nguồn và tín hiệu chung. Chúng ta thường thấy các tín hiệu 4-20mA Passive trong các cảm biến áp suất hay bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ. Tín hiệu 4-20mA 3 dây hay còn gọi là tín hiệu 4-20mA Active tức là 2 dây cấp nguồn 24vdc và một dây signal 4-20mA đưa về. Tín hiệu 4-20mA Active được dùng trong các máy móc cũ để dể truyền tín hiệu 4-20mA về. Tuy nhiên việc truyền bằng tín hiệu 4-20mA Active dể bị nhiễu hơn tín hiệu 4-20mA Passive. Một điều chúng ta thường gặp nữa là phần lớn các bộ đọc tín hiệu analog hoặc PLC chỉ đọc được tín hiệu 4-20mA có nguồn dòng (Active) mà không đọc được tín hiệu 4-20mA Passive. Vậy làm sao để PLC đọc được tín hiệu 4-20mA 2 dây không nguồn (Passive). Việc này hết sức đơn giản với việc kết nối nối tiếp với nguồn 24Vdc bên ngoài. Cách kết nối tín hiệu 4-20mA 2 dây (không nguồn) với PLC hoặc bộ đọc tín hiệu Active Việc kết nối tín hiệu 4-20mA 2 dây (không nguồn) với PLC được thực hiện đơn giản với việc cấp thêm một nguồn 24Vdc. Nguồn Dương 24Vdc (+) được kết nối với chân Dương (+) của cảm biến áp suất 2 dây hay bộ chuyển đổi tín hiệu 2 dây Passive, chân Âm (–) của cảm biến áp suất 2 dây nối với chân Dương (+) của PLC, còn chân Âm (–) của bộ nguồn 24Vdc nối với chân Âm (–) của PLC. Việc nối như thế tạo thành một vòng tròn kín giúp tín hiệu 4-20mA 2 dây của cảm biến áp suất có nguồn nuôi đưa tín hiệu về PLC để xử lý tín hiệu analog 4-20mA. Muốn quan sát tức thời và liên tục của một tín hiệu điện theo thời gian thì người ta phải sử dụng máy hiện sóng. Đồng hồ vạn năng chỉ hiển thị kết quả trung bình lên không thể quan sát được tính liên tục của tín hiệu. Một máy hiện sóng sẽ cho chúng ta quan sát được mọi thông số của tín hiệu điện đưa vào nó từ tần số, dạng sóng cho đến biên độ của tín hiệu...Dưới đây các bạn có thể xem video về các dạng tín hiệu điện trong thực tế Mạch chuyển đổi tương tự ra số hay ADC (viết tắt tiếng Anh: Analog-to-Digital Converter) là hệ thống mạch thực hiện chuyển đổi một (tín hiệu tương tự) liên tục, ví dụ như tín hiệu âm thanh thanh micro, hay tín hiệu ánh sáng trong máy ảnh kỹ thuật số, thành tín hiệu số. Một hệ thống ADC có thể bao gồm một bộ phận phần cứng (như một bộ tính toán độc lập) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu analog (dưới dạng điện áp hay dòng điện) thành các giá trị số (digital) đại diện cho cường độ điện áp hay tín hiệu đó. Thông thường, tín hiệu số ngõ ra (digital output) mang dạng nhị phân bù 2 (two's complement binary number) tỉ lệ với giá trị ngõ vào, nhưng cũng có một số khả năng khác. Có một số kiến trúc ADC đang được sử dụng. Do sự phức tạp của kiến trúc và yêu cầu về độ chính xác, phần lớn các hệ thống ADC đều được sản xuất bên trong mạch tích hợp (IC). Tại ngõ vào chính của ADC trong chip có thể có phần tử Multiplexer, cho ra ADC đa ngõ vào hay ADC đa kênh. Trước đây giá thành ADC cao, nên đã bố trí 8 đến 64 ngõ vào. Hiện nay xuất hiện các chip chỉ bố trí 1, 2 hoặc 4 ngõ vào. Mạch DAC (viết tắt tiếng Anh: Digital-to-Analog Converter) hay Mạch chuyển đổi số ra tương tự có tính năng ngược với mạch ADC khi thực hiện chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự. Hoạt động[sửa | sửa mã nguồn]Để thực hiện việc chuyển đổi một tín hiệu analog thực tế (như nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh,...) thành tín hiệu số, thì tín hiệu analog thực tế này phải được chuyển đổi thành dạng điện áp. Bộ ADC sau đó sẽ đọc các giá trị điện áp này và chuyển đổi thành tín hiệu số tương ứng. Do quá trình chuyển đổi này liên quan đến việc lượng tử hóa tín hiệu ngõ vào, do đó nhất thiết mắc một lượng lỗi hoặc bị ảnh hưởng bởi nhiễu tín hiệu. Thay vì liên tục thực hiện việc chuyển đổi, bộ ADC thực hiện việc chuyển đổi theo chu kì, lấy mẫu (sampling) tín hiệu ngõ vào, giới hạn băng thông cho phép của tín hiệu. Hoạt động của một bộ ADC được đặc trưng bởi băng thông và tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR signal-to-noise ratio). Băng thông của ADC được đặc trưng bởi tốc độ lấy mẫu (sampling rate). Tỉ số SNR của bộ ADC bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm: độ phân giải (resolution), độ tuyến tính (linearity) và độ chính xác (accuracy) (đánh giá tính hiệu quả của quá trình lượng tử hoá tín hiệu từ tính hiệu analog thực tế), aliasing và jitter. Tỉ số SNR của bộ ADC thể hiện số bit trung bình trả về trong mỗi tính toán mà không bị nhiễu, được gọi là số bit hiệu quả (ENOB effective number of bits). Một bộ ADC lý tưởng có số ENOB bằng với độ phân giải của nó. Độ phân giải[sửa | sửa mã nguồn]Bậc số hóa là số bit xác định số mức số hóa cho dải giá trị điện áp danh định. Hệ M bit có 2M mức cho tín hiệu đơn cực, chỉ dương hoặc chỉ âm. Nếu là tín hiệu song cực, phải dành 1 bit dấu, và do mức 0 bị dính nên hệ cho ra 2M-1-1 mức. Dải giá trị điện áp danh định này được gọi là dải động. Điện áp lớn hơn thì gây tràn (overflow). Alias[sửa | sửa mã nguồn]Điểm chú ý là tác động của hiện tượng Aliasing đến đặc trưng số hóa, và nó dẫn đến đòi hỏi tần số số hóa phải lớn hơn trên gấp đôi tần cực đại của băng tần tín hiệu trong các nhu cầu thông thường, còn trong nhu cầu kỹ thuật thì là gấp 4, ví dụ phải dùng 1 KHz để số hóa tín hiệu có băng tần 10–250 Hz. Tốc độ lấy mẫu[sửa | sửa mã nguồn]Vì tín hiệu analog là liên tục theo thời gian nên cần thiết để chuyển đổi tín hiệu này thành một dãy các giá trị kỹ thuật số. Do đó cần định nghĩa một đại lượng tốc độ đặc trưng cho thời gian mà các giá trị kỹ thuật số (digital values) được lấy mẫu từ tín hiệu analog. Tốc độ này được gọi là tốc độ lấy mẫu hay tần số lấy mẫu. Một tín hiệu analog liên tục có thể được lấy mẫu và sau đó được khôi phục lại dạng tín hiệu gốc ban đầu từ các giá trị mẫu rời rạc theo thời gian bởi bộ lọc khôi phục (reconstruction filter). Định lý lấy mẫu Nyquist–Shannon chỉ ra rằng tín hiệu gốc chỉ có thể được khôi phục lại như ban đầu nếu tốc độ lấy mẫu lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu gốc. Do bộ ADC không thể thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu tức thời, giá trị đầu vào phải được lưu như hằng số trong thời điểm thực hiện tính toán-chuyển đổi (gọi là thời gian chuyển đổi, conversion time). Khối mạch lấy giá trị lấy mẫu và thực hiện quá trình tính toán-chuyển đổi này trong phần lớn các trường hợp dùng tụ điện để lưu các giá trị analog điện áp đầu vào và sử dụng mạch switch hoặc gate để ngắt kết nối tụ với ngõ vào. Nhiều IC ADC ngày nay đều có thành phần là các khối xử lý đó. Phân loại[sửa | sửa mã nguồn]Flash ADC[sửa | sửa mã nguồn]Flash ADC là dạng đơn giản nhất, thực hiện bằng dãy điện trở phân áp và các comparator điện áp. Nó là minh hoạ nhập đề cho hoạt động của ADC. Trong hình vẽ là ADC 16 mức "không âm", thực hiện bẳng 15 comparator. Kết quả so được mạch lập mã Encoder tiếp nhận và chuyển sang mã nhị phân, trong trường hợp này là 4 bit.
ADC xấp xỉ nối tiếp[sửa | sửa mã nguồn]ADC xấp xỉ nối tiếp (successive-approximation) Ramp-compare ADC[sửa | sửa mã nguồn]Ramp-compare ADC ADC tích phân sườn đôi hoặc đa sườn[sửa | sửa mã nguồn]Tích phân sườn đôi hoặc đa sườn (dual-slope, multi-slope) ADC ADC mã hoá delta[sửa | sửa mã nguồn]ADC Mã hoá delta (delta-encoded ADC or counter-ramp) ADC sigma-delta[sửa | sửa mã nguồn]ADC sigma-delta Các đặc trưng hoạt động[sửa | sửa mã nguồn]ADC dấu phẩy tĩnh[sửa | sửa mã nguồn]Các ADC thông thường nêu ở mục trên thực hiện số hóa với các mức tín hiệu cách đều, và cho ra kết quả là số integer nhị phân, biểu diễn giá trị tín hiệu. Nó được gọi là kiểu dấu phảy tĩnh. Tuy nhiên thuật ngữ "dấu phảy tĩnh" không cần nhắc tới nếu không có nhu cầu phân biệt. Ví dụ ADC 16 bit nhị phân cho ra giá trị mã từ -16383 đến +16383, lỗi xấp xỉ tín hiệu là ≈10−5, đáp ứng tốt nhu cầu số hoá âm nhạc thông thường. Trong ứng dụng âm nhạc thì không cần quan tâm giá trị tuyệt đối phải là chính xác, nên việc thích ứng với cường độ âm thanh thực hiện bằng chỉnh chiết áp khuếch đại là đủ. Trong đo lường hay ứng dụng cần giá trị chính xác, thì ADC này chỉ đáp ứng dải động xác định. ADC dấu phẩy động[sửa | sửa mã nguồn]Trong các thiết bị đo lường có dải động rộng thì sử dụng ADC dấu phảy động. Kiến trúc của ADC nầy gồm có hai phần:
Hoạt động của ADC nầy có hai kỳ. Kỳ 1, xác định bit đặc tính để tiền khuếch đại cho ra tín hiệu có độ lớn trong dải động của ADC chính, trong đó giá trị đặc tính cao thì độ khuếch thấp. Kỳ 2, ADC chính số hóa. Các lỗi đặc trưng[sửa | sửa mã nguồn]
Lấy mẫu lố (oversampling)[sửa | sửa mã nguồn]Do công nghiệp chế tạo hiện cho ra ADC tốc độ nhanh và giá rẻ, nên chỉ tiêu tần số số hóa của chip thường cao hơn nhu cầu của mạch ứng dụng. Mặt khác, mạch ứng dụng thường thiết kế với nhiều nhịp số hóa chọn được. Nhằm khai thác tối đa năng lực ADC và tránh phải bố trí mạch lọc anti-alias cho mỗi mức nhịp số hóa, kỹ thuật Oversampling được vận dụng. Nội dung của kỹ thuật Oversampling là, tín hiệu được số hóa ở tần cao hơn K lần tần yêu cầu làm việc, sau đó kết quả được xử lý bằng "kỹ thuật lọc số", rồi cộng chúng lại theo bước số hóa yêu cầu. Kết quả cộng cho ra độ phân giải cao hơn độ phân giải danh định ∆V của chip, ví dụ đạt được mức 20 bit bằng ADC 16 bit, tức là tăng 4 bit. Nếu cộng K số lại (cộng không có phủ chồng) thì gia tăng bit cao nhất là cỡ log2(K)/2, tuy nhiên độ phân giải thực tế bị chặn bởi độ rộng của dải bất định của comparator khi chuyển mức giữa hai mức kề nhau, và tùy thuộc chất lượng của chip sử dụng. Điều này được giải thích như sau: Trường hợp ADC lý tưởng thì ngưỡng lý tưởng phân biệt ra mức tín hiệu (L)∆V và (L+1)∆V nằm ở giữa. Trong thực tế comparator có lỗi bất định ở dải có độ rộng là δV, tức là giá trị tín hiệu rơi vào dải đó sẽ cho ra hoặc là L hoặc là L+1. Khi đó oversampling dùng chip có độ phân giải ∆V thì chỉ đạt độ phân giải cao nhất là cỡ δV. Đó là giới hạn tối đa lấy mẫu lố của kiểu chip xác định. Oversampling gặp lỗi nếu quan sát tín hiệu DC hoặc biến đổi quá chậm, ví dụ tín hiệu DC vào ở mức (L + 0,7) ∆V, kết quả số hóa sẽ luôn là L+1, và Oversampling không tăng được cái gì cả. Để khắc phục thì người ta đưa vào một lượng nhiễu răng cưa nhỏ biết trước, và loại đi trong kết quả cộng. Ứng dụng[sửa | sửa mã nguồn]ADC là một trong những phần tử phổ biến, có mặt trong tất cả các thiết bị kỹ thuật số tiếp nhận thông tin từ các cảm biến analog. ADC cũng thường được tích hợp với cảm biến và đặt ngay tại đầu thu, truyền dữ liệu dạng số về khối xử lý. Nó đảm bảo sự ưu việt là dữ liệu trung thực, truyền đưa dễ dàng và xử lý thuận tiện. Các nhóm[sửa | sửa mã nguồn]
Lĩnh vực[sửa | sửa mã nguồn]
Flash ADC được tạo ra khá sớm, dùng cho hiện cường độ âm thanh bằng dãy LED trong máy hát nhạc, ví dụ IC LM3914. Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]
|
