Bài 04 cải thiện chất lượng tín hiệu tương tự 1

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG * HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰTài liệu tham khảo 1. Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh, Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019. 2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm 2019. 2Bài 4: Cải thiện chất lượng tín hiệu đo lường tương tự 3 1. Tạp âm và nhiễu của tín hiệu tương tự 2. Kết nối tín hiệu tới bộ khuếch đại 3. Lọc tương tự đối với tín hiệu đo1. Tạp âm và nhiễu của tín hiệu tương tự• Các tín hiệu đo lường thường đồng hành với nhiễu và tạp âm; đôi khi với mức có thể so sánh với mức tín hiệu đo. • Tạp âm là các tín hiệu ngẫu nhiên có tần số và biên độ không xác định (tạp trắng là tín hiệu về lý thuyết có tất cả thành phần tần số). • Nhiễu là các tín hiệu đến từ các nguồn bên ngoài khác nhau; thông thường, những tín hiệu này có tần số lưới điện 50 Hz và hài của tần số này. Tạp âm và nhiễu của tín hiệu tương tự 5 Áp dụng đầu vào tín hiệu vi sai cho các bộ khuếch đại (loại bỏ các tín hiệu đồng pha), hoặc sử dụng các cảm biến vi sai (VD để loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ bên ngoài).  Áp dụng cách ly dòng một chiều cho mạch điện (các bộ khuếch đại cách ly).  Áp dụng các bộ tách sóng nhạy pha - trong các bộ khuếch đại lock-in để loại bỏ tạp âm.  Loại bỏ độ trôi 0 nhiệt độ bằng áp dụng các hàm auto-zero.  Nối đất chính xác và che chắn các phần khác nhau của mạch điện, ví dụ áp dụng đất Wagner trong các mạch cầu AC. Các phương pháp loại bỏ tạp nhiễu 6 Các kỹ thuật khôi phục tín hiệu hiện đại cho phép ta loại bỏ tạp âm và nhiễu mà lớn hơn đáng kể tín hiệu đo. Nhưng ta có thể nhìn vào vấn đề tạp âm từ góc nhìn khác. Khi sử dụng kết nối tín hiệu hoặc nối đất không chính xác ta có thể làm suy giảm chất lượng của tín hiệu đo. Một trong những nhiễu khó khắc phục nhất là tín hiệu bị suy giảm chất lượng bởi độ trôi 0. Trôi 0 có thể bị gây ra từ vài nguồn: kết nối hai kim loại (điện áp nhiệt điện), các tiếp xúc không ổn định, sự rung động của các phần khác nhau trong mạch điện, cách điện chất lượng kém, hiệu ứng áp điện, hiệu ứng điện hóa,…Nguồn gốc của Các nguồn tạp âm 7 Tạp âm nhiệt Johnson UnT : chuyển động nhiệt hỗn loạn của các điện tích.  Mô tả bằng phương trình Nyquist: k - hằng số Boltzman (k=1,38 10-23Ws/K), T - nhiệt độ, f - độ rộng băng tần • Cách giảm tạp âm nhiệt: • Giảm điện trở sử dụng • Giới hạn độ rộng băng tần • Điều chỉnh nhiệt độ Các nguồn tạp âm 8 4 U kTR f nT   Tạp âm do mặt ghép bán dẫn: Sự thăng giáng ngẫu nhiên của dòng điện (số điện tích q chuyển động qua hàng rào thế năng) gây nên tạp nhiễu hạt Iss .  Mô tả bởi phương trình Schottky: q là điện tích (q=1,6 10-19C). Các nguồn tạp âm 9 2 I qI f ss   Tạp âm kiểu 1/f (tạp âm tần số thấp, tạp âm nhấp nháy, hoặc tạp âm vượt ngưỡng): đến từ nhiều nguồn (hầu hết là chưa biết) và tỷ lệ nghịch với tần số  Mật độ phổ công suất của tạp âm 1/f: Ef - điện áp hiệu dụng của tạp âm; α - hệ số từ 0,8-1,3. Các nguồn tạp âm 10   2 f E S f f    Mức tạp âm phụ thuộc vào tần số  không phải là tạp âm trắng (chứa mọi tần số của tín hiệu)  tạp âm màu (tạp âm ngẫu nhiên có cùng mức năng lượng trong mỗi octave).• Do tính ngẫu nhiên, tạp âm không được mô tả theo mức điện áp Un mà bởi mật độ phổ S(f). • được gọi là mật độ phổ của tạp âm: giá trị hiệu dụng của điện áp tín hiệu theo mối tương quan với căn bậc hai của độ rộng băng tần. • Thông thường, tạp âm được đặc trưng bởi hệ số SNR (tỷ số tín hiệu trên tạp âm). Mật độ phổ của tạp âm 11   2 2 n n U U S f f f             / U f n  Nhiễu bên ngoài thâm nhập vào mạch đo qua ghép điện dung, điện cảm hoặc điện dẫn. Nhiễu Nhiễu tới bộ khuếch đại qua ghép điện dung 12 a,b, đi vào dây lân cận c,d, đi tới đầu BKĐ Mạch tương đương của a Mạch tương đương của bNhiễu 13 • Khi tần số lớn (lớn hơn =1/R2(C12+C2), thì bộ phân áp điện dung được tạo ra và tín hiệu nhiễu trong dây 2 là: 12 2 1 2 12 C U U C C   • Đối với tần số thấp hơn, tín hiệu nhiễu phụ thuộc vào tần số và điện trở R2. U j R C U 2 2 12 1   • Nhiễu do ghép điện dung: Do ghép điện dung giữa 2 dây.Nhiễu 14  Nhiễu do ghép điện cảm: Điện áp cảm ứng qua điện cảm giữa các vòng dây của biến áp cách ly. Nhiễu tới BKĐ qua (a) ghép điện cảm và (b) điện dẫn  Để loại trừ nhiễu, cần sử dụng một tấm chắn tĩnh điện bằng đồng được nối đất giữa các cuộn dây. U MI L   1Nhiễu 15  Nhiễu do ghép điện dẫn: do dòng điện trong dây chung (đấu nguồn hoặc đất). Đặc biệt, trong trường hợp nối hai điểm đất khác nhau, sự khác biệt thế năng giữa hai đất (điện áp U1) có thể gây ra nguy hiểm. Nhiễu tới BKĐ qua (a) ghép điện cảm và (b) điện dẫn• Giảm nhiễu ghép điện dung bằng tấm chắn tĩnh điện Nhiễu 16 • Giảm nhiễu ghép từ bằng tấm chắn từ2. Kết nối tín hiệu đo tới BKĐGiảm nhiễu bằng cặp dây xoắn 18  Nhiễu được giảm vì điện áp e’ và e’’ cảm ứng từ dây lân cận bù cho nhau, và phần còn lại của điện áp cảm ứng e có hướng ngược lại trong vòng lân cận của cặp dây xoắn.Giảm nhiễu bằng cáp quang 19  Tín hiệu điện được chuyển thành ánh sáng bằng LED hoặc đi ốt laze.  Tín hiệu quang được chuyển đổi lại thành tín hiệu điện bằng bộ tách sóng quang trước khi đưa tới máy thu. Sợi cáp quangSuy hao nhiễu theo phương pháp kết nối 20 Độ suy hao của nhiễuSuy hao nhiễu theo phương pháp kết nối 21 Kết nối không được khuyến khích giữa nguồn tín hiệu và máy thu do cho phép dòng qua vỏ tồn tại  Đừng cho phép dòng của vỏ tồn tại và đừng cho vỏ của cáp ở mức điện áp bằng với điện thế tham chiếu  Vỏ cáp nên được nối đất ở chỉ một đầu.Suy hao nhiễu theo phương pháp kết nối 22 Kết nối sai nguồn tới bộ khuếch đại  Không nên kết nối nguồn tín hiệu tới bộ khuếch đại với điện thế đất khác nhau.  Sự khác biệt điện thế U g  tạo ra dòng san bằng Is chạy qua điện trở R 2  gây ra nhiễu dẫn Uz ở các cực của bộ khuếch đại. 2 2 z g g R U U R R  Suy hao nhiễu theo phương pháp kết nối 23 Kết nối tín hiệu tới bộ khuếch đại trong các trường hợp a. nguồn tín hiệu không nối đất b. đầu vào của bộ khuếch đại không đấu đấtSuy hao nhiễu theo phương pháp kết nối 24 Kết nối nguồn tín hiệu có nối đất tới bộ khuếch đại có thêm tấm chắn bảo vệSuy hao nhiễu theo phương pháp kết nối 25 Kết nối điện trở đo nhỏ tới đồng hồ vạn năng 4 cựcSuy hao nhiễu theo phương pháp kết nối 26 Cuộn cảm hình xuyến được sử dụng để suy hao nhiễuSuy hao nhiễu theo phương pháp kết nối 27  Nhiễu được thể hiện bởi nguồn Ug.  Tỷ số tín hiệu trên nhiễu: 2 2 2 2 1 1 out g g g U R U R R L R R       Nhiễu bị suy hao do một bộ lọc thông thấp L2/(Rg+R2) được tạo ra.  Đối với tần số cao (trên 1 MHz), có thể thay cuộn cảm hình xuyến bằng vòng ferrit.  Đối với nhiễu tần số thấp (tần số công nghiệp), thường dùng các bộ lọc để nén.Suy hao nhiễu theo phương pháp kết nối 28  Tạp âm của BKĐ bao gồm tạp âm áp en và tạp âm dòng in.  Hệ số tạp âm F (tỷ số tạp âm BKĐ và tạp âm nhiệt):  Để tính R s tối ưu (giá trị làm cho F cực tiểu):  Điện trở nguồn tối ưu là: 2 2 2 2 2 2 2 4 n n s n n s T s e i R e i R F e kTR     0 F Rs    n sopt n e R i Suy hao nhiễu theo phương pháp kết nối 29  Điện trở tối ưu Rsopt thường khá lớn (vài M), trong khi nguồn điện áp thường có giá trị điện trở khá nhỏ  cần phối hợp trở kháng bằng biến áp để giảm tạp âm.  Điện trở sơ cấp Rs được phản ánh ở cuộn thứ cấp (với n là tỷ số các cuộn dây của biến áp): 2 s s R n R    Tỷ số vòng dây tối ưu của biến áp: opt sopt 1 n s s n R e n R R i   Phối hợp tạp âm bằng ghép biến áp3. Lọc tương tự đối với tín hiệu đoLọc tương tự đối với tín hiệu đo 31  Nhiễu đo có thể được loại bỏ nhờ các bộ lọc:  Bộ lọc thông thấp LP  loại bỏ nhiễu tần số cao (VD: nhiễu tần số vô tuyến)  Bộ lọc thông cao HP  loại trừ nhiễu tần số công nghiệp  Bộ lọc thông dải BP và bộ lọc chặn chặn dải BR  phân tách tín hiệu hữu ích khỏi tín hiệu nhiễu. Đặc tính tần số của các bộ lọc điển hìnhLọc tương tự đối với tín hiệu đo 32 Độ gợn sóng băng thông Đặc tính lý tưởng Độ suy hao băng chặn Băng thông Tần số cắt băng thông Băng chuyển tiếp Đặc tính thực Băng chặn Tần số cắt băng chặn Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông thấp thực tế  Bộ lọc tương tự thực tế không có đặc tính tần số bằng phẳng trong băng thông, chuyển đổi giữa băng thông và băng chặn là không thẳng đứng (có độ rộng băng tần chuyển dịch hữu hạn).Lọc tương tự đối với tín hiệu đo 33 Đặc tính biên độ tần số và đặc tính pha tần số của bộ lọc thông thấp  Chất lượng của bộ lọc được mô tả bằng đặc tính biên độ tần số và đặc tính pha tần số.  Đặc tính biên độ tần số lý tưởng cần phải bằng phẳng tới tần số cắt của băng thông (độ suy hao bằng 0 dB).  Băng thông thực tế được xác định với độ suy hao trong khoảng 0- 3 dB. Băng chặn được định nghĩa là phạm vi có độ suy hao lớn hơn một giá trị cho trước (ví dụ, 100 dB).Lọc tương tự đối với tín hiệu đo 34 Đặc tính biên độ tần số và đặc tính pha tần số của bộ lọc thông thấp  Độ dốc của đặc tính trong băng tần chuyển dịch phụ thuộc vào bậc của bộ lọc  Độ dốc của bộ lọc bậc 1 là 20 dB/decade (6 dB/octave).  Độ dốc của bộ lọc bậc 2 là 40 dB/decade (hoặc 12 dB/octave). với Octave - tỷ số tần số bằng 1:2, decade - tỷ số tần số là 1:10.Lọc tương tự đối với tín hiệu đo 35 Đặc tính biên độ tần số và đặc tính pha tần số của bộ lọc thông thấp  Nếu đặc tính pha tần số không chính xác  bộ lọc sẽ gây ra méo tín hiệu  Pha cần phải biến thiên tuyến tính theo tần số.  Thông thường, đặc tính pha là phi tuyến trong toàn băng tần.  Rất khó đảm bảo đồng thời cả hai đặc tính tốt: bộ lọc với đặc tính biên độ tốt sẽ cho tính tuyến tính pha kém và ngược lại.Bộ lọc RC thụ động 36 Lọc thông thấp  Với bộ lọc RC thông thấp Lọc thông cao Lọc thông thấp nối tầng bậc 2   1 1 G j j RC        2 1 1 G RC     hoặc  Tần số cắt của bộ lọc là  g=1/RC.  Với bộ lọc nối tầng:    1 1 2 2 1 2 1 1 2 2  2 1 1 G j j R C R C R C R C R C        Bộ lọc RC có sử dụng bộ khuếch đại 37 Lọc thông thấp  Kết nối vài bộ lọc nối tiếp  tăng bậc bộ lọc và độ dốc đặc tính trong vùng chuyển dịch, nhưng cũng làm tăng suy hao tín hiệu có ích và ảnh hưởng tới đặc tính tần số.  Khắc phục: Sử dụng BKĐ để hỗ trợ bộ lọc RC thụ động. Lọc thông cao Lọc thông dảiBộ lọc RC tích cực 38  Tuy nhiên, bộ lọc sử dụng khuếch đại không đảm bảo độ đốc đủ lớn cho đặc tính tần số trong vùng chuyển dịch.  Khắc phục: Sử dụng bộ lọc tích cực. Bộ lọc Sallen-Key thông thấp Bộ lọc MFB thông thấp Bộ lọc Sallen-Key thông cao Bộ lọc MFB thông cao Bộ lọc RC tương tự tích cựcBộ lọc RC tích cực (tt) 39  Bộ lọc thông dải đạt được bằng cách kết hợp bộ lọc thông thấp và thông cao. Bộ lọc thông dải RC tương tự tích cực Bộ lọc Sallen-Key Bộ lọc MFB thông dảiBộ lọc RC tích cực (tt) 40 Bộ lọc tích cực bậc 2 phổ biến có đồng thời cả đầu ra thông thấp LP, thông cao HP và thông dải BPBộ lọc RC tích cực (tt) 41  Đặc tính tần số của BL thông thấp Sallen-Key được mô tả bằng phương trình toán tử s sau : với   2 1 2 1 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 p p p R R C C G s s s s R C R R C C Q          1 2 1 2 1 2 2 1 1 ; p R C Q R R C C R C     Đặc biệt, khi R1=R2=R, các điện dung có thể được tính như sau : 1 2 1 ; 2 ; / 2 2 p C C QC C C Q  Rf   Bộ lọc RC tích cực (tt) 42 Đặc tính biên độ của các thiết kế bộ lọc khác nhau  Bộ lọc Bessel : đặc tính pha tốt nhất nhưng độ dốc của đặc tính biên độ trong băng chuyển tiếp lại kém.  Thực tế, không thể có bộ lọc tốt nhất về mọi mặt.  Bộ lọc Butterworth: đặc tính phẳng nhất trong băng thông.  Bộ lọc Elliptic Cauer (hay bộ lọc Chebyshev): đặc tính biên độ có độ dốc lớn nhất trong băng chuyển tiếp, nhưng độ bằng phẳng của đặc tính trong băng thông kém (gợn sóng trong băng).Bộ lọc RC tích cực (tt) 43  Có thể quan sát méo pha trong đáp ứng miền thời gian của bộ lọc.  Bộ lọc Bessel cho chất lượng tốt hơn bộ lọc Butterworth trên khía cạnh méo pha. Đáp ứng với tác động đầu vào bậc thang của bộ lọc Butterworth và Bessel Công cụ thiết kế bộ lọc tương tự: Matlab hoặc Labview.  Thông thường, bộ lọc được mô tả bằng toán tử s. Một bộ lọc RC đơn giản có thể được mô tả ở dạng: Thiết kế bộ lọc tương tự 44   1 1 G s sRC    Biểu diễn ở dạng chuẩn hóa (khi R=1, C=1 F, p=1 rad/s)   1 1 G s s    Bộ lọc bậc 4 G s   12 3 4 a bs cs ds s     Các đa thức mẫu của bộ lọc Butterworth 45 Bậc Đa thức 1 s 1 2 s s 2   2 1 3 s s s 3 2    2 2 1 4 s s s s 4 3 2     2,61 3,414 2,61 1 5 s s s s s 5 4 3 2      3,236 5,236 5,236 3,236 1 Bảng các đa thức mẫu của bộ lọc ButterworthCác đa thức mẫu của bộ lọc Butterworth (tt) 46 Bậc Đa thức 1 s 1 2 1 1,414   s s2 3 1 1    s s s  2 4 1 1,848 1 0,765     s s s s 2 2   5 1 1 1,618 1 0,618      s s s s s  2 2   Bảng các đa thức mẫu của bộ lọc Butterworth được tạo từ các thành phần bậc 1 và bậc 2  Cách đơn giản nhất để đạt được bộ lọc có bậc cao hơn là ghép nối tiếp các bộ lọc bậc thấp.  VD, để đạt được bộ lọc bậc 4  kết nối hai bộ lọc bậc 2; để đạt được bộ lọc bậc 5  kết nối thêm bộ lọc bậc 1Ví dụ về thiết kế bộ lọc tương tự 47  Thiết kết bộ lọc Butterworth bậc 4 với tần số cắt là 1 kHz. Bộ lọc thông thấp Butterworth bậc 4 với tần số cắt 1 kHzVí dụ về thiết kế bộ lọc tương tự (tt) 48  Đặc tính của bộ lọc Sallen-Key:     1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 G G G s G G G G C s C C s      Điện trở R được thể hiện như điện dẫn G (để đơn giản cho tính toán). Với điện trở chuẩn hóa 1    2 2 1 2 1 1 2 G s C s C C s     Từ đa thức (s2+1.8478s+1)(s2+0.7654s+1) có:  Bộ lọc thứ nhất: C1C2=1 và 2C2=1,8478  C2=0,9239 F và C1=1,08 F.  Bộ lọc thứ hai: C1C2=1 và 2C2=0,7654  C2=0,3827F và C1=2,61F.  Với các điện trở là 1 k (được nhân với hệ số 1000)  điện dung cũng phải chia cho 1000.  Để có tần số cắt là 1 kHz (thay vì 1 rad/s)  chia điện dung cho 21000.Bộ lọc sử dụng tụ điện chuyển mạch 49  Khó thực hiện chính xác các phần tử R, C với công nghệ mạch tích hợp  cần thực hiện các mạch lọc sử dụng tụ điện chuyển mạch. Tụ điện chuyển mạchBộ lọc sử dụng tụ điện chuyển mạch (tt) 50  Khó thực hiện chính xác các phần tử R, C với công nghệ mạch tích hợp  cần thực hiện các mạch lọc sử dụng tụ điện chuyển mạch. Tụ điện chuyển mạch a. nguyên lý chuyển mạch, b. mạch tương đương, c. thực hiện bán dẫnBộ lọc sử dụng tụ điện chuyển mạch (tt) 51 (a) Bộ lọc RC, (b) mạch lọc tương đương với tụ điện chuyển mạch  Ưu điểm của giải pháp mạch lọc với phần tử R được thay thế bởi tụ điện chuyển mạch là khả năng điều hưởng bộ lọc theo sự thay đổi tần số chuyển mạch.Bộ lọc sử dụng tụ điện chuyển mạch (tt) 52 Bộ lọc biến trạng thái có khả năng điều chỉnh tần số (các tụ chuyển mạch thay cho các điện trở RF )  Bộ lọc này có thể được lập trình thành BL thông thấp LP, BL thông cao HP, BL thông dải BP và BL chặn dải BR.  Tần số cắt có thể thay đổi bằng cách thay đổi RF của hai mạch tích phân (hoặc tụ điện chuyển mạch C1).Bộ lọc sử dụng tụ điện chuyển mạch (tt) 53 Mạch chức năng với mô hình lọc LMF100 của National Semiconductor sử dụng tụ điện chuyển mạch hai lần chất lượng cao  Mạch tích hợp của BL sử dụng tụ chuyển mạch cho phép thiết kế BL bậc hai (thông thấp, thông cao hoặc thông dải). Các điện trở ngoài có thể được dùng để thiết lập tăng ích thông dải hoặc tăng ích thông thấp. Tần số trung tâm được điều chỉnh bởi tần số đồng hồ bên ngoài.