Điện điện tử - Chương 6: Mạch đo lường và xử lý kết quả đo

Chương 6: mạch đo lường và xử lý kết quả đoNội dungKhái niệm chungKhuếch đại thuật toán (OA)Mạch gia công tính toán trên OAỨng dụng OA trong mạch đoỨng dụng kĩ thuật số trong mạch đoVi xử lí trong kĩ thuật đo lườngKhái niệm chungChức năng cơ bản của mạch đoKhuếch đại tín hiệu từ cảm biếnTạo hàm biến đổi bù đặc tínhBù ảnh hưởng của nhiễu và các tác động ngẫu nhiên khácChuyển đổi ADCCảm biếnMạch đoKết quảKhái niệm chungPhân loạiMạch tỉ lê: shunt, phân áp, biến áp, biến dòngMạch khuếch đại: công suất ra lớn hơn công suất vàoMạch gia công tính toán: mạch cộng, trừ, nhân, chiaMạch so sánh: Mạch tạo hàmMạch biến đổi A/D, D/AMạch đo dùng vi xử lýSai số của mạch đoSai số của chính bản thân mạch đoSai số do sự kết hợp các đại lượng đầu vàoKhái niệm chungCông suất tiêu thụ trên mạch đoSai số do công suất tiêu thụ gây ra khi mắc vào khâu trướcSai số ở đầu raKhuếch đại thuật toán – OA (Operational Amplifier)Rv = ; Rr = 0; i- = i+ = 0; Kh = ; V0 = KhVi Do OA thực tế không thể có Kh =  mà chỉ 104 -:-106 nên tồn tại Vi cỡ vài mV được khuếch đại tuyến tính-VcVi-Vi+i+i-V0+VcViĐặc tính vào ra của OAKhi Vi+ > Vi- : V0 = + VcKhi Vi+ Vi-  Vo = +Vc Vi+ < Vi-  Vo = -VcChế độ tự dao động : sóng sin, tam giác, răng cưa, chữ nhật cần có phản hồi dương. Nối mạch phản hồi từ đầu ra về chân không đảo.Mạch gia công tính toán trên OAMạch khuếch đại đảoVi+ = Vi- = 0Ur = -(R2/R1)U1Vi-Vi+i+i-UrR1R2U1I1I2Mạch gia công tính toán trên OAMạch khuếch đại không đảoVi+ = Vi- = U1Ur = (1+R2/R1)U1I2Vi-Vi+i+i-UrR1R2U1I1Mạch gia công tính toán trên OA Vi-Vi+i+i-UrR2RfU1U2R1I1I2Mạch gia công tính toán trên OA Vi-Vi+i+i-UrRnRfU1U2RRI1I2Mạch gia công tính toán trên OA Vi-Vi+i+i-UrRRU1U2RRI1I3Mạch gia công tính toán trên OA Vi-Vi+i+i-UrRU1CII2Mạch gia công tính toán trên OA IVi-Vi+i+i-UrRU1CMạch gia công tính toán trên OA Vi-Vi+i+i-UrU1Mạch gia công tính toán trên OA Vi-Vi+i+i-UrRU1CRRRI1I2I3Mạch gia công tính toán trên OA Vi-Vi+i+i-UrR1U1CR2Tỉ lệTích phânMạch gia công tính toán trên OA Tỉ lệTích phânVi-Vi+i+i-UrR1U1C2R2C1I1I2I3Vi phânỨng dụng OA trong mạch đo Ứng dụng OA trong mạch đoMạch tỉ lệMạch tỉ lệ về dòngĐiện trở sun :Bài tậpMột ampe-kế dùng cơ cấu đo từ điện có điện trở cơ cấu đo Rm = 99 Ω và dòng làm lệch tối đa Imax=0.1mA. Điện trở Shunt Rs=1 Ω.Tính dòng điện tổng cộng đi qua ampe kế trong các trường hợpKim lệch tối da0,5Dm Bài tậpMột cơ cấu từ điện có I=0.1mA, điện trở nội khung quay R=1KΩ. Tính điện trở Shunt mắc vào cơ cấu đo để trở thành một ampe kế tương ứngDm=100mA = tầm đo 1Dm=1A = tầm đo 2Tính các điện trở shunt mắc song song để tạo ampe kế có đồng thời 2 thang đo trên.Tính các điện trở shunt mắc nối tiếp để tạo ampe kế có đồng thời 2 thang đo trên.Ứng dụng OA trong mạch đoMạch tỉ lệMạch tỉ lệ về áp : mạch phân áp, và mạch biến ápMạch phân áp điện trởHệ số phân áp  Mạch phân áp điện dungHệ số phân áp Ứng dụng OA trong mạch đoMạch tỉ lệMạch tỉ lệ về áp : mạch phân áp, và mạch biến ápMạch phân áp điện cảmHệ số phân áp Ứng dụng OA trong mạch đoMạch lấy LogaritV+ = V- = 0Ia = I1 Ur = - UAK = ln(U1/R) Vi-Vi+i+i-UrRU1I1IaỨng dụng OA trong mạch đo Vi-Vi+i+i-UrRU1IaIỨng dụng OA trong mạch đoMạch nhân 2 điện áp Ur = U1 * U2 lnlncộnglấy hàm mũUrU1U2Ứng dụng OA trong mạch đoMạch nhân dùng OAU2U1UrỨng dụng OA trong mạch đoMạch chia 2 điện áp Ur = U1 / U2  Có thể sử dụng với tín hiệu vào có khoảng động lớnlnln trừlấy hàm mũUrU1U2Ứng dụng OA trong mạch đoMạch so sánh một ngưỡng V0U1U2220v+Vc-VcViVoỨng dụng OA trong mạch đoCông dụng mạch so sánh một ngưỡngDùng trong các mạch bảo vệ tín hiệuDùng trong các mạch tạo góc mở điều khiển các bộ điện tử công suất lớn như chỉnh lưu, băm điện áp, biến tần.Làm cơ sở để xây dựng các bộ chuyển đổi ADC, DAC trong kĩ thuật số hiện nay.Tạo ngưỡng để dùng trong các thiết bị vừa đo lường, vừa điều khiển như bù cos, điều khiển nhiệt độ, cân điện tử và nhiều ứng dụng mở rộng khác.Nhược điểmMạch so sánh kiểu này quá nhạy nên thường sinh ra các xung động trong hệ thống.rất khó tạo vùng trễ cũng như vùng chết trong kĩ thuật bảo vệ.Ứng dụng OA trong mạch đoMạch so sánh 2 ngưỡng đối xứng V0U1R1R2ViVo-Vc+Vc-Vi++Vi+Thường dùng trong các mạch tạo xung Trige và dao động đa hàiỨng dụng OA trong mạch đoMạch so sánh 2 ngưỡng không đối xứng V0U1U2Vo1Vo2UvV01V02V0000010100111V0 = V01 AND V02Đồ thị mạch so sánh 2 ngưỡng không đối xứngViVo-Vc+VcU2U1Các ứng dụng kĩ thuật số trong mạch đoChuyển đổi tương tự – số (ADC)Đó là vi mạch dùng để chuyển đổi tín hiệu liên tục(tương tự) thành tín hiệu sốU(t)1001110110111001010100110101UnTín hiệu liên tụcTín hiệu sốADCTT gọi là chu kì lấy mẫu hay chu kì chuyển đổiCác ứng dụng kĩ thuật số trong mạch đoChuyển đổi tương tự – số (ADC)Phương pháp song song: điện áp vào đồng thời so sánh với n điện áp chuẩn và xác định xem nó đang nằm ở 2 mức nào.Phương pháp trọng số: việc so sánh diễn ra cho từng bit nhị phậnPhương pháp số: ADC một lần tích phânXung nhịpANDĐếm N bitDAC n bitSo sánhĐK logicChôt n bitUxUdacUoaUđkUcKhởi độngDữ liệu raBiểu đồ thời gian chuyển đổiUxUdacXung đếmKhởi độngUđkUcĐiện áp lấy raBắt đầu một chu kì mớiCác ứng dụng kĩ thuật số trong mạch đoChuyển đổi số – tương tự (DAC)DACN bitU(t)00000001001000110100010101100111100010011010101110010111U(t)=UnnTUU(t)UnUn U(t) khi U0, nghĩa là số bit phải rất lớnCác ứng dụng kĩ thuật số trong mạch đoNguyên lý chuyển đổi DACMột số thập phân bất kì có thể phân tích dưới dạng nhị phândi = 0 hoặc 1; i=0..(n-1)  Dn = [0  2n-1]Mức điện áp lượng tử hóaCó thể thiết kế mạch DAC dưới dạng mạch cộng điện áp đảo hoặc không đảoCác ứng dụng kĩ thuật số trong mạch đoMột số mạch DAC thông dụngPhương pháp lấy tổng các dòng trọng sốCác ứng dụng kĩ thuật số trong mạch đoMột số mạch DAC thông dụngPhương pháp dùng khóa đảo chiềuVi xử lí là gì? Vi xử lí là vi mạch, chủ yếu để thực hiện các phép tính số học, các phép logic và một số chức năng phụ khácVXL ra đời khi nàoVXL ra đời từ khoảng năm 1969 và không ngừng phát triển cho đến ngày nayVXL có phức tạp không, nó chứa những gì trong đóVXL là một vi mạch khá phức tạp, nó chứa trong đó những transistor, điện trở, diode, Những VXL đầu tiên chứ khoảng 18000 transistor, ngày nay khoảng 294 triệu transistor trong một chipCó bao nhiêu hãng sản xuất VXL hiện nayRất nhiều, có thể kể một số hãng tiêu biểu như Intel, Motorola, Philips, Zilog, Sony, Toshiba, SiemensVi xử lí trong kĩ thuật đo lườngVXL có tác dụng gì trong đo lườngVXL được dùng để tính toán hàm số, bù các đặc tính phi tuyến, xây dựng các thuật toán đánh giá, nhận dạng và dự báo số liệu, cho phép lưu trữ, truyền dẫn số liệu, nối mạng các thiết bị đo trong một dây chuyền sản xuất hay mạng công nghiệp, tăng cường chức năng giám sát và điều khiển, hiệu chỉnh tối ưu các quá trình, giảm thiểu sức lao động của con ngườiVXL nối với đầu đo như thế nào?VXL chỉ dùng tín hiệu số, do vậy đầu tiên các tín hiệu liên tục phải được chuyển đổi thành tín hiệu số, sau đó mới ghép nối với VXL. Khả năng tính toán là do các nhà sản xuất VXL đã thiết kế cho nó một kiến trúc như vậy.Dụng cụ đo dùng VXL chắc phải rất đắt tiền, những hệ thống đo thông thường có nên dùng khôngSo với khả năng VXL thực hiện thì dung cụ đo có VXL không đắt lắm, nếu so sánh một hệ đo cổ điển dùng chỉ thị cơ điện kết hợp các mạch so sánh, lưu trữ, điều khiển thì dụng cụ có VXL lại rẻ hơn rất nhiều lần, gọn nhẹ và tin cậy hơnVậy tại sao có nhiều nơi vẫn dùng các dụng cụ chỉ thị cơ điện mà không dùng dụng cụ đo VXLĐiều này một phần do yêu cầu tại đó chỉ cần đo để hiển thị, một phần do thói quen sử dụng. Phần quan trọng nữa là giá thành đơn chiếc loại cơ điện rẻ hơn.Những nơi nào trong ngành điện hiện nay dùng dụng cụ đo có VXL?Hầu hết các dụng cụ đo kĩ thuật số đều có gắn VXL, ở các trạm biến áp, các nhà máy điện, các phân xưởng đều sử dụng để vừa đo lường, vừa điều khiển, lưu trữ, in ấn số liệu và nhiều chức năng khác nữa.Nếu không có VXL thì có tự động hóa được khôngNói một cách đầy đủ thì tự động hóa ra đời trước khi có VXL. Nhưng các nhà máy TĐH hiện đại, nối mạng như SCADA thì không thể thiếu VXL, đồng thời VXL lại tăng cường khả năng TĐH cao hơn, xây dựng được những hệ biết tư duy logicVậy tương lai của VXL thật tươi sáng?Cũng không hẳn như vậy, một là có những chỗ không dùng VXL, hai nữa là kiến trúc VXL gần đạt đến mức trần, sẽ có những vi mạch với công nghệ nano (<10-9m) ra đời, các vi mạch lượng tử làm việc theo hiệu ứng lượng tử, trong khi VXL làm việc theo hiệu ứng điện tử chậm hơn rất nhiều. Tương lai máy tính lượng tử(quantum computor) sẽ thay thế máy tính điện tử. Loài người sẽ được sử dụng những máy tính với nguyên tắc khác hẳn hiện nay. Công nghệ chế tạo VXL đang đạt đến mức mỏng hết cỡ, hiện nay đang có xu hướng là chế tạo các VXL song song trong một chip để tiết kiệm dây dẫn và năng lượng, tuy nhiên đó vẫn là giải pháp tình thế khi chưa có loại VXL công nghệ mới. Gần 3 năm nay tốc độ làm việc của chip tăng không đáng kể, nhưng nhờ giải pháp song song mà tốc độ tính toán của VXL lại tăng lên khá nhiều.Ngoài VXL còn có loại nào nữa không ?Có, hiện nay còn loại VXL on-chip gọi là vi điều khiểnVậy VĐK là gì?VĐK là một hệ vi xử lí, nó bao gồm CPU, RAM, EEROM, ngắt, TIME, COUNTER, ADC, DAC và một số mạch phụ trợ khác, được tích hợp trong một chipVậy chắc ứng dụng nó thật tiện lợi?Đúng vậy, những thiết bị dùng VĐK có kích thước nhỏ hơn dùng VXL đơn chiếc đến hàng chúc lần, độ tin cậy cao hơn và tuổi thọ cũng lớn hơn linh kiện lắp rờiThế thì phải hoan hô VĐKPhải, vì VĐK có thể điều khiển đến từng bit nên rất tiện lợi khi dùng các đầu ra rơle, còn VXL thì chỉ điều khiển theo byte thôi, nhưng VXL lại có tốc độ tính toán cao hơn. Nói tóm lại, VXL nhiệm vụ chính là tính toán dữ liệu nên được thiết kế để xử lí những mảng dữ liệu lớn, còn VĐK là điều khiển dữ liệu theo công nghệ yêu cầu nên tốc độ không cao bằng VXL