Giáo trình Cơ sở đo lường điện tử (Phần 1)

n hiệu: Hình 3.1 – Cấu trúc máy đo tham số và đặc tính của tín hiệu. Nhiệm vụ chính của máy đo này là xác định đƣợc tham số và đặc tính của tín hiệu điện. Các tham số và và đặc tính của tín hiệu điện này có thể là đại lƣợng cần đo hoặc chúng lại gián tiếp mang thông tin đo cho một đại lƣợng điện hay phi điện khác. Các máy đo thuộc lại này ví dụ nhƣ: Vôn mét; Ampe mét; Máy đếm tần; Pha mét; Ô-xi-lô; Máy phân tích méo dạng; Máy phân tích phổ; Máy phân tích luồng thông tin (Phân tích giao thức) Loại máy đo này đều có cấu trúc chung nhƣ Hình 3.1. - Tín hiệu điện x(t) mang thông tin cần đo cần đo đƣa tới đầu vào. - Mạch vào: (Signal Condition) Có nhiệm vụ nhận tín hiệu và truyền dẫn tín hiệu tới Thiết bị biến đổi. Ngoài ra còn có chức năng thực hiện tiền xử lý tín hiệu vào nhƣ tiền khuếch đại, suy Mạch vào Thiết bị biến đổi Thiết bị chỉ thị Nguồn cung cấp Tín hiệu mang thông tin đo x(t) Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 67 giảm, giới hạn băng tần, lọc nhiễu, phối hợp trở kháng, nhƣng không làm mất thông tin đo. Mạch vào thƣờng là bộ KĐ phụ tải catốt (Zvào cao), thực hiện phối hợp trở kháng, có các bộ suy giảm, bộ dây làm chậm Nhiều chức năng mạch vào có đƣợc lựa chọn bởi ngƣời sử dụng thông qua những chuyển mạch, công tác điều chỉnh đƣa đƣa ra ngoài mặt máy đo. Mạch vào quyết định mức độ ảnh hƣởng của máy đo với chế độ công tác của đối tƣợng đo. Ở phạm vi tần số thấp và cao thì đặc tính này đƣợc biểu thị bằng trở kháng vào của máy. Ở siêu cao tần thì đặc tính này đƣợc biểu thị bằng công suất mà máy đo hấp thụ đƣợc. - Thiết bị biến đổi: Đây là bộ phận trung tâm của máy đo, có nhiệm vụ thực hiện so sánh, biến đổi và phân tích tín hiệu theo một thuật toán nào đó để đánh giá đƣợc tham số và đặc tính cần đo mang trong tín hiệu, xác định mối qua hệ giữa thang chỉ thị của thiết bị chỉ thị và đại lƣợng đo và tạo ra tín hiệu phù hợp đƣa tới Thiết bị chỉ thị. Trong bản thân thiết bị này có thể tạo ra tín hiệu cần thiết để so sánh tín hiệu cần đo với tín hiệu mẫu. Có thể phân tích tín hiệu đo về biên độ, tần số, hay chọn lọc theo thời gian. Thƣờng là các mạch khuếch đại, tách sóng, biến đổi dạng điện áp tín hiệu, chuyển đổi dạng năng lƣợng, tín toán xử lý tín hiệu tƣợng tự và số ... - Thiết bị chỉ thị: để biểu thị kết quả đo dƣới dạng sao cho thích hợp với giác quan giao tiếp của sinh lí con ngƣời, hay đƣa ra những thông tin phù hợp để đƣa vào bộ vào bộ phận điều chỉnh, tính toán,... Ví dụ các dạng thiết bị chỉ thị nhƣ: Các cơ cấu chỉ thị , Ống tia điện tử, cơ cấu chỉ thị số dùng LED 7 đoạn hay LCD 7 đoạn Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 68 Hình 3.2 - Ví dụ về mối qua hệ giữa các phím điều khiển và mạch vào của máy đo. - Nguồn cung cấp: cung cấp năng lƣợng cho máy, và còn làm nguồn tạo tín hiệu chuẩn. Các loại máy đo thuộc nhóm này thì thực hiện theo phƣơng pháp đo trực tiếp, kết quả đo có thể đƣợc đọc thẳng hay thông qua phép đo so sánh với đại lƣợng mẫu. Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 69 3.1.2. Máy đo tham số và đặc tính của mạch điện: Hình 3.3 – Cấu trúc máy đo tham số và đặc tính của mạch Mạch điện cần đo thông số nhƣ: mạng 4 cực, mạng 2 cực, các phần tử của mạch điện, đƣờng truyền dẫn, hệ thống, thiết bị điện tử Các loại máy đo thuộc nhóm này nhƣ: máy đo đặc tính tần số mạch hay thiết bị điện tử; máy đo đặc tính quá độ; máy đo hệ số phẩm chất; đo điện cảm; điện dung; điện trở; máy thử đèn điện tử, linh kiện bán dẫn, hay IC; máy phân tích đƣờng truyền; máy phân tích logic; máy phân tích mạng 4 cực Để đo đƣợc tham số và đặc tính, thì mạch điện cần phải hoạt động trong chế độ thực hoặc chế độ tín hiệu thử. Máy đo sẽ thực hiện xử lý, phân tích và so sánh tín hiệu ra của mạch với tín hiệu vào mạch để đánh giá đƣợc tham số và đặc tính nào đó của mạch. Nguồn tín hiệu thử Thiết bị biến đổi, xử lý tín hiệu Thiết bị chỉ thị Nguồn cung cấp Mạch cần đo tham số, đặc tính (a) – Cấu trúc máy đo tham số và đặc tính của mạch có nguồn tín hiệu thử (a) – Cấu trúc máy đo tham số và đặc tính của mạch có nguồn tín hiệu thử độc lập Mạch vào Thiết bị biến đổi, xử lý tín hiệu Thiết bị chỉ thị Nguồn cung cấp Mạch cần đo tham số, đặc tính Nguồn tín hiệu thử Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 70 Tín hiệu thử mạch thƣờng đƣợc tạo hay đƣợc điều khiển bởi chính máy đo. Nguồn tín hiệu thử này có thể đƣợc xây dựng kèm theo máy đo hoặc là các thiết bị tạo tín hiệu độc lập, nhƣ vậy cấu trúc chung của các loại máy đo thuộc nhóm này có 2 dạng khác nhau nhƣ Hình 3.3. Về cơ bản cấu trúc của máy đo tham số và đặc tính của mạch không khác gì nhiều cấu trúc máy đo tham số và đặc tính của tín hiệu, ngoài việc có sử dụng thêm nguồn tín hiệu thử. Máy đo tạo tín hiệu thử phù hợp với yêu cầu đo và đƣa tới mạch cần đo, sau đó nhận tín hiệu ra của mạch và thực hiện đo tham số của tín hiệu này hay so sánh với tham số của tín hiệu thử từ đó đánh giá đƣợc tham số và đặc tính nào đó của mạch điện cần đo. 3.1.3. Máy tạo tín hiệu đo lƣờng Nhóm máy này cũng bao gồm nhiều loại, chúng tạo tín hiệu chuẩn (mô phỏng đƣợc các dạng tín hiệu trong thực tế) sử dụng khi cần kiểm chuẩn trong đo lƣờng, để nghiên cứu và điều chỉnh thiết bị. Kết hợp với các máy đo khác để đo thám số và đặc tính của mạch điện tử, hệ thống điện tử. Các dạng tín hiệu chuẩn thƣờng đƣợc tạo ra nhƣ: Tín hiệu hình sin, các dạng tín hiệu xung, tín hiệu quét tần số, các dạng tín hiệu điều chế, các dạng tín hiệu số, và các dạng tín hiệu thử khác thƣờng dùng trong đo lƣờng viễn thông Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 71 Hình 3.4 – Cấu trúc máy tạo tín hiệu đo lường Sơ đồ khối chung của nhóm máy này nhƣ Hình 3.4. - Bộ tạo sóng chuẩn: Là bộ phận chủ yếu, nó xác định các đặc tính chủ yếu của tín hiệu nhƣ dạng và tần số dao động. Thông thƣờng là tạo sóng hình sinh hay các loại tín hiệu xung. - Bộ biến đổi : để nâng cao mức năng lƣợng của tín hiệu hay tăng thêm độ xác lập của dạng tín hiệu. Nó thƣờng là bộ khuếch đại điện áp, khuếch đại công suất, bộ điều chế, thiết bị tạo dạng xung. Các máy phát tín hiệu ở siêu cao tần thƣờng không có bộ biến đổi đặt giữa bộ tạo sóng chủ và đầu ra hay dùng bộ điều chế trực tiếp để khống chế dạo động chuẩn. - Mạch ra: để điều chỉnh mức tín hiệu ra, biến đổi trở kháng ra của máy. Thƣờng thì mạch có bộ suy giảm (bộ phân áp), biến áp phối hợp trở kháng, hay các mạch khuếch đại CC - Thiết bị đo: kiểm tra thông số của tín hiệu đầu ra. Thiết bị đo thƣờng đƣợc sử dụng để kiểm tra thông số của tín hiệu đầu ra. Thƣờng là vôn mét điện tử, thiết bị đo công suất, đo hệ số điều chế, đo tần số - Nguồn: cung cấp nguồn cho các bộ phận, thƣờng làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều của mạng lƣới điện thành điện áp 1 chiều có độ ổn định cao. Mạch ra Thiết bị đo Nguồn cung cấp Bộ điều chế Bộ tạo sóng chủ Bộ biến đổi x(t) Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 72 3.1.4. Các linh kiện đo lƣờng Nhóm này bao gồm các linh kiện lẻ, phụ thêm với máy đo để tạo nên các mạch đo cần thiết. Chúng là các linh kiện tiêu chuẩn cao để làm mẫu (nhƣ điện trở, điện cảm, điện dung mẫu), hay các linh kiện để ghép giữa các bộ phận của mạch đo. Các linh kiện chủ yếu hay dùng ở đo lƣờng siêu cao tần nhƣ bộ suy giảm, bộ dịch pha, bộ phân mạch định hƣớng, các bộ cảm biến công suất ... 3.2. CẤU TRÖC CHUNG CỦA MÁY ĐO SỐ 3.2.1. Sự tiến triển trong công nghệ chế tạo thiết bị đo Ngày nay các công nghệ kỹ thuật điện tử tiến tiến nhất đều đƣợc đƣa vào việc chế tạo thiết bị đo. Sự phát triển của điện tử số và công nghệ chế tạo vi mạch cho phép chế tạo nhiều vi mạch tích hợp cao nhƣ VLSI. Điển hình là các bộ vi xử lý với khả năng tính toán cao ra đời đã làm thay đổi quan niệm, công nghệ và cơ cấu, tính năng của thiết bị đo lƣờng điện tử. Các thiết bị đo sử dụng công nghệ số hiện nay khác với thiết bị đo tƣơng tự chỉ thị kim, ống tia điện tử chủ yếu là ở phƣơng pháp biến đổi và xử lý tín hiệu mang thông tin đo của đại lƣợng cần đo. - Thiết bị đo tương tự: Là thiết bị đo biến đổi liên tục các đại lƣợng cần đo, để kết quả hiển thị ở đầu ra cũng biến đổi liên tục, tƣơng tự nhƣ các giá trị đầu vào. Việc xử lý tín hệu và đo lƣờng đƣợc thực hiện bằng các mạch điện tử tƣơng tự. - Thiết bị đo số: Thiết bị đo biến đổi giá trị của đại lƣợng cần đo thành hệ các giá trị rời rạc để thực hiện xử lý và hiển thị kết quả ở đầu ra. Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 73 Vấn đề tin học hóa phƣơng pháp đo, số hoá cấu trúc thiết bị đo đã làm thay đổi chất lƣợng của quá trình đo lƣờng, mà điều quan trọng hơn cả là nâng cao đƣợc về độ chính xác của thiết bị đo và tự động hóa đƣợc quá trình đo. Các thiết bị đo lƣờng số đang có xu hƣớng dần thay thế các thiết bị đo tƣơng tự. Tuy vậy, các thiết bị đo số vẫn còn có những hạn chế do chính phƣơng pháp đo số và cấu trúc cơ sở của mạch đo gây ra (ví dụ nhƣ sai số do không đồng bộ, sai số do độ trễ của các phần tử logic, và sai số lƣợng tử ). 3.2.1. Sơ đồ cấu trúc chung của máy đo số Máy đo số hiện nay thƣờng đƣợc thiết kế dựa trên các hệ vi xử lý, hay hệ vi điều khiển có cấu trúc nhƣ một máy tính chuyên dụng. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của một thiết bị đo số (cả máy đo và thiết bị tạo tín hiệu) nhƣ sau: Trong số đồ trên, tín hiệu mang thông tin đo hoặc tín hiệu tạo ra đƣợc đƣa vào hoặc đƣa ra từ bộ chuyển đổi /Mạch vào(ra). Hình 3.5 – Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo số - Bộ chuyển đổi (Transducer)/ Mạch vào(ra): Biến đổi các đại lƣợng phi điện thành đại lƣợng điện, hoặc biến đổi các dạng năng Bộ chuyển đổi /Mạch vào(ra) Xử lý tín hiệu tƣơng tự Giao diện ngƣời sử dụng ADC /DAC Nguồn nuôi RA M RO M I/O Vi xử lý ( P) Khối xử lý số Tín hiệu vào hoặc ra Giao diện số Tín hiệu tƣơng tự Tín hiệu điều khiển Thông tin Số liệu số Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 74 lƣợng ở đầu vào thành tín hiệu điện. Nếu đầu vào hoặc đầu ra là tín hiệu điện thì đó là khối Mạch vào, còn nếu là thiết bị tạo tín hiệu thì đó là Mạch ra. Ví dụ các bộ chuyển đổi dùng trong đo lƣờng nhƣ sau: Cặp nhiệt điện, Điện trở nhiệt, tinh thể áp điện (biến đổi áp suất thành điện áp), biến đổi công suất siêu cao tần thành tín hiệu điện, các loại bộ cảm biến sensor - Khối xử lý tín hiệu tương tự: Thực hiện các tiền xử lý với tín hiệu tƣơng tự khuếch đại, lọc nhiễu, phối hợp trở kháng, đổi tần, phân áp, suy giảm, khuyếch đại công suất, lấy mẫu và giữ mẫu Sử dụng những mạch riêng biệt để tách những đặc tính riêng trong dạng tín hiệu vào và có thể có chức năng quan trọng nữa là so sánh tín hệu tƣơng tự với một tín hiệu chuẩn tƣơng tự, tạo ra tín hiệu có tỉ lệ biên độ, tần số, dạng phù hợp với đầu vào của tầng tiếp theo. - ADC/DAC: Trong trƣờng hợp là thiết bị đo thì thực hiện chức năng ADC - biến đổi tín hiệu tƣơng tự - tín hiệu số. Còn trong trƣờng hợp máy tạo tín hiệu thì thực hiện chức năng DAC - biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tƣơng tự. - Khối xử lý tín hiệu: bản chất nhƣ một máy tính chuyên dụng (gồm có các bộ vi xử lý, bộ nhớ và giao diện vào ra I/O) đƣợc thiết kế phù hợp với những yêu cầu điều khiển và tính toán trong máy đo. Khối này có thể có một hay nhiều bộ vi xử lý, bộ vi điều khiển, bộ xử lý tín hiệu số DSP để thực hiện việc điều khiển chung cho máy đo và thực hiện tính toán số liệu thô từ ADC. Số liệu này sẽ đƣợc tính toán thành các thông tin đo lƣờng theo một thuật toán nào đó. Các thao tác xử lý tín hiệu số chủ yếu ở khối này có thể là: + Chọn lọc thông tin: ví dụ nhƣ tính toán biên độ, chu kỳ tín hiệu Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 75 + Chuyển đổi các thông tin trên thành dạng có ý nghĩa hơn ví dụ nhƣ thực hiện DFT biến đổi số liệu biểu diễn trong miền thời gian thành số liệu biểu diễn trong miền tần số. + Kết hợp với những thông tín thích hợp. + Định dạng thông tin cho truyền thông qua giao diện thông tin: giao diện ngƣời sử dụng, giao diện máy tính, ví dụ nhƣ số liệu 3 chiều có thể miêu tả bằng màn hình 2 chiều Chức năng khác của khối này là ứng dụng những hệ số chuẩn hóa cho số liệu, thực hiệu kết hợp bù sai số, hệ số chuẩn hóa với thông tin để làm tăng độ chính xác, độ tuyến tính, độ tin cậy của phép đo. Bên cạnh đó khối này còn thực hiện điều khiển các khối khác. - Giao diện người sử dụng: Thực hiện chỉ thị các kết quả đo, hay nhận các thao tác điều khiển thiết bị từ ngƣời sử dụng nhƣ điều khiển từ bàn phím, núm xoay, chuột.., yêu cầu của khối này là phải hiển thị kết quả dễ dàng cho ngƣời sử dụng, tránh hiểu sai thông tin đƣa ra bởi máy đo. Màn hình chỉ thị thƣờng dùng cơ cấu chỉ thị số nhƣ màn hình LCD với nhiều số và nhiều dòng văn bản, màn hình ma trận, màn hình ống tia điện tử - Giao diện số: Ví dụ nhƣ RS232, Ethernet, USB hay một số chuẩn giao diện số đặc biệt dùng trong đo lƣờng nhƣ GPIB.., cho phép truyền thông tin giữa máy đo với máy tính hay với các máy đo khác trong hệ thống thông tin đo lƣờng. Các chuẩn giao diện này quy định khuôn dạng thông tin, ngôn ngữ điều khiển, cấu trúc dữ liệu để thực hiện trao đổi thông tin và điều khiển giữa máy đo và máy tính. Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 76 3.2.3. Ƣu điểm của máy đo số + Tăng chức năng đo cho thiết bị Những máy đo nhiều chức năng không có vi xử lý trƣớc đây, phải chuyển chức năng đo bằng chuyển mạch, quy tình đã đƣợc chế tạo cố định, nên không thay đổi đƣợc, vì phần cứng và mạch logic là cố định. Khi có sử dụng vi xử lý, thì có thể đổi thiết bị đang năng chế tạo bằng các mạch logic cố định trƣớc đây thành thiết bị đo có chƣơng trình hóa, bằng cách cài đặt chƣơng trình điều hành trong các bộ nhớ ROM khác nhau. Các máy đo có lƣu trữ chƣơng trình nhƣ vậy đã làm tăng khả năng mềm dẻo của máy thỏa mãn yêu cầu đo mà không phải thay đổi mạch điện. Đồng thời, logic chƣơng trình hóa cũng đã làm giảm đáng kể giá thành của máy đo. + Nâng cao độ chính xác đo lường Độ chính xác của thiết bị đo phụ thuộc vào cấp chính xác của nó. Sai số của thiết bị còn phụ thuộc vào đặc tính đo lƣờng của thiết bị đo đó. Có nhiều cách để nâng cao độ chính xác, xong với bản thân máy đo thì ở khả năng nhƣ: Thực hiện tự loại bỏ sai số hệ thống, ví dụ khả năng tự động xác định điểm không khi bắt đầu đo. Thực hiện tự chuẩn, tử thử đƣợc chính xác. Khả năng này còn có sai số ngẫu nhiên, nên cần phải thực hiện đo nhiều lần và lấy trung bình thống kê các kết quả đo. Máy đo số dùng vi xử lý có khả năng thực hiện các yêu cầu trên. Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 77 + Mở rộng khả năng đo Cấu trúc của máy đo số cho phép mở rộng và phát triển khả năng đo lƣờng của máy để thích hợp với các dạng yêu cầu khác nhau của kỹ thuật đo, ví dụ yêu cầu đo gián tiếp một đại lƣợng vật lý nào đó. Một đại lƣợngvật lý phải đo gián tiếp thì đƣợc thực hiện thông qua tính toán bằng những quan hệ toán học giữa các đại lƣợng đo trực tiếp, ví dụ: Hệ số khuếch đại của một mạch đƣợc tính toán từ các trị số đo của điện áp đầu vào và đầu ra. Tổng quat hơn, một đại lƣợng vật lý R cần đó có mối quan hệ với các đại lƣợng X1, X2,, Xn (mà các đại lƣợng này có thể đo trực tiếp đƣợc): R=f(X1, X2,, Xn). Với máy đo số có thể thiết kế để cho phép đo các đại lƣợng khác nhau đó, mỗi phép đo có thể đƣợc chƣơng trình hóa và lƣu vào bộ nhớ chƣơng trình, việc lƣu trữ kết quả và thực hiện tính toán cũng dễ dàng, đặc biệt là với tốc độ tính toán của Vi xử lý hiện nay. + Điều khiển đơn giản Máy đo số có thể thực hiện nhiều chức năng, tuy nhiên những chức năng đó đã đƣợc chƣơng trình hóa và việc điều khiển đƣợc thực hiện tự động, nên mặt máy cũng đã đƣợc đơn giản đi nhiều. Một thiết bị đo càng thông minh nếu nhƣ nó càng ít đi sự điều khiển từ ngƣời sử dụng. Sự đơn giản điều khiển của máy đo có vi xử lý rõ nét hơn cả là sự tự động chọn cấu hình máy đo nhƣ chọn chức năng đo, chọn thang đo, chọn khoảng thời gian chuẩn, chọn các điều kiện thao tác. Một số thiết bị đo còn có thiết bị báo lỗi khi ngƣời đo có nhầm lẫn và có hƣớng dẫn cách thực hiện đúng trên màn hiển thị của máy. Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 78 + Thực hiện được các phép tính mong muốn cho kết quả đo Nhiều trƣờng hợp ngƣời đo mong muốn thực hiện một hàm số toán học nào đó cho kết quả đo hơn là chỉ biết bàn thân kết quả riêng biệt. Máy đo có vi xử lý cho khả năng chƣơng trình hóa để thực hiện các biến đổi kết quả này. Nhƣ các yêu cầu hiệu chỉnh kết quả, xác định sai số, biến đổi đơn vị đo, tạo mối quan hệ tuyến tính, hay thực hiện phân tích thông kê đo lƣờng. + Có tối thiểu hóa cấu hình thiết bị Nhờ khả năng chƣơng trình hóa và khả năng tích hợp vi mạch với mật độ cao nên cấu hình phần cứng của máy đo giảm nhỏ. + Máy đo có giá thành ngày càng giảm Giá hạ do cấu hình thiết bị nhỏ, giá thành chế tạo giảm nhỏ, nhƣng chức năng lại tăng + Có thể nâng cao được độ tin cậy Cấu hình phần cứng giảm nhỏ, sử dụng ít linh kiện nên độ tin cậy tăng lên. + Giảm thời gian đo Vì có thƣ viện mẫu, các chƣơng trình con, nên thao tác phần mềm đã làm đơn giản, thời gian tính toán các thuật toán phức tạp cũng giảm. Tính thông minh của máy làm giảm bớt thời gian điều khiển máy của ngƣời đo. + Phối hợp tổ chức được trong hệ thống đo, mạng đo Máy đo có thêm các card ghép nối, cho phép tổ chức thành một hệ thống đo hay một mạng đo của nhiều máy đo riêng biệt. 3.3. THIẾT BỊ ĐO GHÉP NỐI VỚI MÁY TÍNH Các hệ thống đo lƣờng ghép nối với máy tính đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng. Các hệ thống này đƣợc sử dụng rất nhiều lý do: Quá trình điều khiển đo nhanh hơn, quá trình Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 79 tự động hóa cao hơn, chính xác hơn, giảm nhỏ sai lầm của ngƣời sử dụng. Nhiều phép đo, quá trình đo phức tạp có thể đƣợc thực hiện nhờ sự trợ giúp của máy tính. Có nhiều mức độ điều khiển khác nhau của máy tính đến máy đo, đến hệ thống đo. Nhiều máy đo có vai trò nhƣ là hệ thống thu thập số liệu hay đo lƣờng đa năng, phần mềm cài đặt trên máy tính vừa có nhiệm vụ điều khiển máy đo vừa thu thập số liệu, cũng nhƣ vừa có nhiệm vụ tính toán, phân tích, đo lƣờng, đánh giá số liệu thu nhận đƣợc từ máy đo và biểu diễn kết quả dƣới dạng mong muốn của ngƣời sử dụng. Máy tính còn có vai trò điều khiển từ máy đo, thu thập kết quả từ nhiều máy đo khác nhau trong hệ thống đo lƣờng và thực hiện phân tích kết quả đo lƣờng của hệ thống đo đó Hệ thống thu thập số liệu - DAS là một mô hình hệ thống đo ghép nối với máy tính điển hình, quá trình đo lƣờng đƣợc thực hiện chủ yếu trên phần mềm. Các mô hình ghép nối máy đo với máy tính điển hình nhƣ Hình 3.6: – Máy đo đƣợc ghép nối với máy tính – Nối mạng các máy đo thành hệ thống đo lƣờng – Hệ thống thu thập số liệu DAS (a) – Máy đo đƣợc ghép nối với máy tính DUT Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 80 (b) - Nối mạng các máy đo thành hệ thống đo lƣờng (c) – Hệ thống thu thập số liệu DAS Hình 3.6 - Hệ thống đo ghép nối với máy tính + Hệ thống thu thập số liệu Hệ thống thu thập số liệu DAS (Data acquisition (DAQ) systems) là hệ thống thu thập tín hiệu đo lƣờng từ nhiều nguồn khác nhau, thực hiện số hóa rồi thực hiện lƣu trữ, phân tích, đo lƣờng, đánh giá, và biểu diễn trên máy tính. DAS gồm các thành phần chính nhƣ Hình 3.7: 3631A – Nguồn Phần mềm: VEE : Phần mềm đo lƣờng ảo lập trình bằng đồ họa 82357B giao tiếp GPIB - USB 33220A Máy tạo sóng 34405A Đồng hồ vạn năng số 3000 Series-Máy hiện sóng Hub 1 2 3 4 5 6 7 Mạch điện tử cần đo (DUT) Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 81 Sensor or Transducer Signal Conditioning ADC Computer Process or Test Computer Interface DAQ – Data Acquisition Hình 3.7 - Hệ thống thu thập số liệu DAS 1. Sensor or Transducer - Thiết bị cảm biến hoặc Chuyển đổi: Thu nhận các đại lƣợng vật lý trong thực tế cần đo nhƣ nhiệt độ, cƣờng độ sáng, áp suất, lực cơ học, v..v.., thực hiện biến đổi các đại lƣợng vật lý phi điện đó thành tín hiệu điện có thể đo đƣợc nhƣ tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. Khái niệm Cảm biến và Chuyển đổi đòng nghĩa với nhau trong hệ thống DAS. Có nhiều dạng Thiết bị Chuyển đổi khác khau, bảng sau giới thiệu một số loại thiết bị Chuyển đổi cho các đại lƣợng vật lý phổ biến: Đại lƣợng Thiết bị chuyển đổi Nhiệt độ Cặp nhiệt điện, RTD, Điện trở nhiệt Ánh sáng Cảm biến ánh sáng Âm thanh Microphone Lực và Áp lực Strain Gage Chuyển đổi áp điện Vị trí và độ dịch chuyển Potentiometer, LVDT, Optical Encoder Gia tốc Accelerometer pH pH Electrode Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 82 2. Signal Conditioning – Thiết bị gia công thông tin đo (Gọi tắt là Thiết bị Mạch vào): Sau thiết bị cảm biến thƣờng yêu cầu có thiết bị gia công thông tin đo để gia công tín hiệu đo phù hợp, chính xác hơn trƣớc khi đƣa tới thiết bị số hóa. Thiết bị này có thể bao gồm nhiều chức năng nhƣ: khuếch đại tín hiệu, suy hao, lọc nhiễu, cách ly điện, ghép kênh tín hiệu tƣơng tự Ngoài ra nhiều loại thiết bị chuyển đổi còn yêu cầu có tín hiệu điện áp hoặc dòng kích thích, hoàn chỉnh mạch cầu, thực hiện tuyến tính hóa, hay khuếch đại để tăng sự chính xác và sự hoàn hảo của thiết bị chuyển đổi. Nhƣ vậy Thiết mạch vào có vai trò quan trọng trong hệ thống thu thập số liệu nói riêng trong các hệ thống đo số nói chung. Thiết bị mạch vào đƣợc thiết kế dƣới dạng module độc lập hoặc các card ghép nối với máy tính, tham khảo Hình 3.8. Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 83 Hình 3.8 - Các loại thiết bị mạch vào Mỗi loại Cảm biến hay thiết bị chuyển đổi có yêu cầu về chức năng của Thiết bị mạch vào khác nhau. Bảng sau là đặc tính điện của các loại thiết bị cảm biến phổ biến và yêu cầu của thiết bị mạch vào cơ bản: Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 84 Bảng 3.1 – Các loại thiết bị cảm biển thông dụng Sensor Đặc tính điện Yêu cầu mạch vào Thermocouple (Cặp nhiệt điện) Đầu ra điện áp thấp Độ nhạy thấp Đầu ra phi tuyến Cảm biến nhiệt chuẩn Mạch khuếch đại hệ số lớn Mạch tuyến tính hóa RTD Trở kháng thấp (phổ biến 100 ) Độ nhạy thấp Đầu ra phi tuyến Yêu cầu dòng kích thích Cấu hình 4-dây/3-dây Mạch tuyến tính hóa Strain gauge Thiết bị trở kháng thấp Độ nhạy thấp Đầu ra phi tuyến Yêu cầu dòng hoặc điện áp kích thích Mạch khuếch đại hệ số lớn Các nhánh cầu Mạch tuyến tính hóa Điện trở sơn tiêu chuẩn Thermistor (Điện trở nhiệt) Điện trở Trở kháng và độ nhạy cao Đầu ra phi tuyến Cần dòng và điện áp kích thích với các điện trở chuẩn Mạch chỉnh tuyến tính Active Accelerometers High-level voltage or current output Linear output Power source Moderate amplification AC Linear Variable Differential Transformer (LVDT) AC voltage output AC excitation Demodulation Linearization 3. Data Acquisition Device - Thiết bị thu thập số liệu: Đây là thiết bị phần cứng thực hiện ghép nối máy tính với thế giới bên Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 85 ngoài. Thiết bị thu thập số liệu có nhiệm vụ chủ yếu là số hóa tín hiệu tƣơng tự (biến đổi ADC) và tạo ra chuẩn giao tiếp số với máy tính. Thiết bị thu thập số liệu và Thiết bị mạch có thể đƣợc chế tạo riêng, tuy nhiên cũng có thể đƣợc ghép chung và gọi là Bộ thu thập số liệu DAQ. 4. Máy tính cài phần mềm điều khiển và đo lường: Máy tính đƣợc ghép nối với Thiết bị thu thập số liệu thông qua các chuẩn giao tiếp số điển hình nhƣ GPIB, USB, Ethernet, RS232, RS485, .... và đƣợc các các phần mềm điều khiển thiết bị cũng nhƣ phần mềm đo lƣờng. Các quá trình lƣu trữ số liệu cũng nhƣ thực hiện xử lý số liệu, tính toán đo lƣờng, cũng nhƣ hiển thị kết quả đƣợc thực hiện trên phần mềm đo lƣờng đó. Ngoài ra hiện này có có nhiều phần mềm cho phép ngƣời sử dụng lập trình để tạo ra các chức năng điều khiển và đo lƣờng mới, điển hình nhất là phần mềm LABVIEW của NI. 3.4. MỘT SỐ MẠCH ĐO LƢỜNG VÀ GIA CÔNG TÍN HIỆU ĐO CƠ BẢN Trong kỹ thuật đo lƣờng điện tử, quá trình đo lƣờng đƣợc thực hiện nhờ mạch đo lƣờng và gia công tín hiệu. Chúng là các mạch điện thực hiện việc thu nhận tín hiệu đo, biến đổi, gia công, so sánh, tính toán tín hiệu đo và đƣợc phối hợp với nhau trong một hệ vật lý thống nhất tạo ra các thiết bị đo, máy đo, hệ thống đo. Theo chức năng của các mạch đo và gia công tín hiệu ta có thể phân loại thành nhiều loại mạch đo nhƣ sau: - Mạch tỉ lệ: Mạch thực hiện một phép nhân, hoặc chia tín hiệu với hệ số k, ví dụ nhƣ: Mạch suy giảm (mạch phân áp, chia dòng), biến áp, biến dòng, mạch ghép và chia công suất, v..v.. Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 86 - Mạch khuếch