Skip to content
Bạn đang ở: Trang chủ Đào tạo Đào tạo thạc sĩ Giáo trình & bài giảng Tin học Vật lý - Bài 2 Hệ thu thập dữ liệu
Tin học Vật lý - Bài 2 Hệ thu thập dữ liệu In Email
Viết bởi Vu Anh Minh   
Thứ tư, 11 Tháng 3 2009 04:49

  Các bộ chuyển đổi tương tự / số nối liền khoảng cách giữa thế giới tín hiệu số và tương tự. Một hệ thống tương tự / số điển hình lối vào hệ thống nhận các kích thích vật lý, hoá học hay sinh học; bộ chuyển đổi chuyển những tín hiệu này ra dạng tín hiệu điện tương tự (sensor áp suất, nhiệt độ, ánh sáng ...). các tín hiệu được sinh ra do bộ chuyển dổi thường tương đối nhỏ và cần được khuyếch đại lên ( đến mức điện áp yêu cầu ) trước khi  được chuyển đổi sang dạng tín hiệu số tương đương. Các giá trị số đại diện cho tín hiệu sau đó sẽ được các máy tính hay bộ vi xử lý lưu trữ hay xử lý  rồi được tái tạo lại thành các tín hiệu điện nhờ bộ chuyển đổi số / tương tự DAC.

 

2/ CÁC HỆ THU THẬP DỮ LIỆU (DATA AQUISITION)

2.1/ CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ THÀNH TÍN HIỆU SỐ
Các bộ chuyển đổi ADC ( tương tự / số ) nối liền khoảng cách giữa thế giới tín hiệu số và tương tự. Hình vẽ dưới đây biểu diễn một hệ thống tương tự / số điển hình. Lối vào hệ thống nhận các kích thích vật lý, hoá học hay sinh học; bộ chuyển đổi chuyển những tín hiệu này ra dạng tín hiệu điện tương tự ( sensor áp suất, nhiệt độ, ánh sáng ...). các tín hiệu được sinh ra do bộ chuyển dổi thường tương đối nhỏ và cần được khuyếch đại lên ( đến mức điện áp yêu cầu ) trước khi chuyển sang dạng tín hiệu số tương đương. Bộ chuyển đổi tương tự / số (ADC ) chuyển tín hiệu dạng tương tự này thành tín hiệu dạng số. Máy tính hay bộ vi xử lý sau đó sẽ cất hay xử lý các giá trị số này để tạo ra các tín hiệu điện qua bộ chuyển đổi số / tương tự DAC. Lưu ý rằng tất cả các hệ thống tương tự / số không nhất thiết phải có cả các lỗi vào và các lối ra. Nó có thể chỉ có các lối vào tương tự hoặc các lối ra tương tự.

Máy tính số : Là một thiết bị thu thập và xử lý tín hiệu số, trong khi các tín hiệu đo từ các quá trình gồm cả tín hiệu tương tự. Vì vậy sơ đồ khối đầy đủ của việc xử lý tín hiệu bằng tính số trong các thực nghiệm như sau :

Tín hiệu tương tự từ thực nghiệm đưa vào bộ lọc thông thấp LF1, được lấy mẫu qua bộ trích và giữ mẫu S&H (sample and hold) thành tín hiệu rời rạc. Sau đó được đưa qua bộ biến đổi tương tự số ADC (Analog – digital-converter) để thành tín hiệu số và đưa vào máy tính PC để xử lý. Tín hiệu số sau khi đã xử lý được biến đổi trở lại thành tín hiệu tương tự qua bộ biến đổi số tương tự DAC (Digital-analog-converter) rồi lại đưa qua bộ lọc thông thấp LF2 để thành tín hiệu lối ra. Tác dụng của hai bộ lọc thấp LF1 và LF2 sẽ được nói rõ sau. Tuy nhiên tín hiệu số khi đưa vào máy tính xử lý không nhất thiết phải lấy ra từ ADC mà có thể được lấy trực tiếp từ các quá trình số khác. Cũng như vậy, tín hiệu số sau khi xử lý không bắt buộc phải qua bộ biến đổi DAC để chuyển đổi lại thành tín hiệu tương tự mà có thể được lấy ra ngay để điều khiển các quá trình số khác.

Hình vẽ - Hệ thống tương tự-số

 

 

Thiết bị chuyển đổi những tín hiệu tương tự biến đổi liên tục từ các thiết bị theo dõi các điều kiện như sự chuyển động, nhiệt độ, cường độ sáng, âm thanh ...thành các số nhị phân dùng trong máy tính. Có thể là một chip đơn hay một mạch điện thiết kế cùng một chíp gọi là bộ chuyển đổi tương tự số (Analog Digital Converter).

Vai trò của các bộ chuyển đổi là chuyển dạng này của năng lượng ( ánh sáng, nhiệt độ ... ) ra thành các dạng khác ( tín hiệu điện ).

 

Câu hỏi :
- tại sao phải sử dụng các bộ S&H, ADC và DAC trong việc xử lý tín hiệu số
- Những thiết bị nào có thể sử dụng cho mục đích ghép nối

 

 

2.2/ CÁC BỘ CẢM BIẾN

2.2.1/ PHÉP ĐO NHIỆT ĐỘ :
Có nhiều phương pháp để chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện như : cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, sensor hồng ngoại và các IC nhiệt độ.

a/Cặp nhiệt điện :
Là một đầu dò hai kim loại hàn liền với nhau. Số các điện tử tự do trong kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ và loại vật liệu. Nếu hai kim loại khác nhau hàn với nhau thì tại chỗ tiếp xúc sẽ sinh ra một thế hiệu thay đổi theo nhiệt độ ( trên một khoảng xác định ).

 

 

Sensor kiểu này thường gồm hai đầu, một đầu đo và một đầu tham chiếu ( đầu nóng và đầu lạnh ). Hiệu thế gây ra do chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu.

Biều diễn một cặp nhiệt điện điển hình. Trường hợp này hệ số chuyển đổi là 50oC trên 2mV hay 25oC/mV. Lối ra cặp nhiệt điện thường được khuyếch đại lên đến giải 0 - +5V.
Có ba kiểu cặp nhiệt điện chính thường được dùng :
- kiểu K ( -50oC đến + 1000oC )
- kiểu T ( - 1000C đến +325oC ) là hợp kim đồng / đồng-niken
- kiểu J ( -25oC đến +625oC ) hợp kim sắt/ đồng – niken hay niken - crom/niken-nhôm
Độ chính xác của cặp nhiệt điện kiểu này khoảng +- 1oC


b/ Nhiệt điện trở
Là những điện trở được thiết kế đặc biệt có sự thay đổi điện trở có thể dự kiến trước trong một khoảng biến thiên nhiệt độ tương đối rộng. Chúng có hệ số nhiệt độ âm (ntc ) hay hệ số nhiệt độ dương (ptc). Hầu hết các chất bán dẫn có tính chất ntc hay điện trở của chúng tăng lên khi nhiệt độ giảm và ngược lại. Với phép đo điện trở so sánh với bảng cho trước của nhiệt điện trở để xác định nhiệt độ của phép đo.

Nhiệt điện trở nói chung thường có dạng kiểu giọt ( trong một vỏ thuỷ tinh hay kim loại ) hoặc kiểu đĩa. Chúng thường được xác định như giá trị điện trở của chúng ở 25oC. Các nhiệt điện trở thường thấy là : 1K, 4.7 K, 10 K, 47 K, 220 k, 470 K và 350 K. Mỗi loại có một bảng chỉnh nhiệt độ chuẩn phản ánh sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ. Ví dụ 1K điển hình có trở 100K ở -60oC, 10K ở - 30oC, 1K ở 25oC và 100 ở +100oC. Sai số đặc trưng vào khoảng +-10%.

 

c/ Sensor hồng ngoại :
Năng lượng bức xạ hồng ngoại từ các vật thể thay đổi tuỳ theo nhiệt độ của nó. Nhờ phép đo năng lượng bức xạ này có thể ước tính được nhiệt độ vật thể. Kỹ thuật này tạo ra một bản đồ mầu của vật thể để so sánh với mầu của một vật thể đã biết ở nhiệt độ tham khảo không đổi. Đây là phương pháp vô cùng hiệu quả nếu vật thể cần đo là rất nóng( mặt trời và các lò luyện kim ) khi các sensor không thể tiếp xúc trực tiếp với các vật thể ( phép đo không tiếp xúc ). Nó cũng được sử dụng để phát hiện các tín hiệu (dấu hiệu ) nhỏ như phát hiện khối u, tìm kiếm người sống sót dưới đống đổ nát, hay chụp ảnh nhiệt độ của các toà nhà để phát hiện sự thất thoát nhiệt.
Các IC nhiệt độ : Một kiểu sensor nhiệt độ điển hình là IC LM35. Nó cung cấp một thay đổi điện thế tuyến tính 10mV trên 1oC và có độ chính xác cỡ +-0.4oC

2.2.2/ PHÉP ĐO ÁP XUẤT :
Phép đo áp xuất được dùng trong nhiều ứng dụng như ghi âm, đo độ biến dạng của cầu, trọng lượng máy,...
phép đo độ biến dạng :
Điện trở của một vật dẫn liên hệ với điện trở suất của nó, độ dài, tiết diện theo công thức :
R = L/A
R : điện trở ()
L : độ dài (m)
A : tiết điện (m2)
 : điện trở suất (.m)


Nếu một kim loại đàn hồi bị biến dạng sẽ thay đổi độ dài và một tiết diện thay đổi một chút, như trên hình vẽ . Điện trở của kim loại sẽ thay đổi trực tiếp với độ dài. và sự thay đổi này cũng xảy ra với độ biến dạng, Tính chất này được sử dụng hữu ích trong phép đo áp suất. lực, momen xoắn và chuyển động. ví dụ như dạng vành lá kim loại mỏng ( nhôm, đồng – niken ) dán trên nhựa. Một bộ khuyếch đại độ biến dạng chuyển đổi sựu thay đổi điện trở ra thành mức điện thế. Các kim loại thường dùng để chế tạo lá kim loại là hợp kim đồng - nhôm có điện trở thay đổi tỷ lệ với độ biến dạng.

2.2.3/ BIẾN ĐỔI ĐIỆN DUNG :
Một tụ điện với hai tấm kim loại đặt song song thay đổi trực tiếp với diện tích của nhựa tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các tấm. Theo công thức :
C = (oA/d)F
với o = 8.854x10-12 F.m-1
Khoảng cách hay độ dời có thể đo được bằng cả việc thay đổi khoảng cách giữa các tấm khi giữ cho tiết diện không đổi lẫn thay đổi tiết diện và giữ cho khoảng cách không đổi. Để đo khoảng cách giữa một tấm cố định và chuyển tấm khác song song với tấm cố định. Khi tiết diện không đổi điện dung của chúng thay đổi trực tiếp theo khoảng cách giưã chúng.
Khi đo độ dịch chuyển một tấm được giữ cố định và tấm khác chuyển động về phía sau, do khoảng cách giữa các tấm không đổi nên điện dung sẽ thay đổi tỷ lệ gián tiếp với độ dịch chuyển.


Chuyển đổi điện dung điển hình được dùng trong các sensor áp xuất. Nếu một đĩa cố định và cái kia có thể chuyển động thì điện dung thay đổi theo áp suất tác dụng lên tấm. Cũng tương tự với độ chuyển đổi độ cảm ứng, phụ thuộc vào từ trường tác dụng. Phương pháp này thường ít tuyến tính hơn phương pháp điện dung và thường được dùng để phát hiện sự có mặt của các đối tượng kim loại.

2.2.4/ CÁC TINH THỂ ÁP ĐIỆN.
Khi có lực tác dụng lên tinh thể thạch anh, sẽ tạo ra một suất điện động nhỏ, tỷ lệ với lực tác dụng theo một hệ số tỷ lệ không đổi trong một khoảng rộng ( điển hình từ 0.05 (V/m)/(N/m2)). Tinh thể áp điện có thể đo rất chính xác và có độ phân giải rất cao. thường được dùng trong các trường hợp cần đo áp suất thay đổi nhỏ, như chuyển động rung và sensor áp suất, chuyển đổi âm thanh thành năng lượng điện, đặc biệt trong microphone và các nhạc cụ điện tử ( ghi ta ). Vấn đề có thể suất hiện với những tín hiệu vô cùng nhỏ và có thể bị ảnh hưởng bởi ồn ngẫu nhiên, kết nối kém và các cap nối không phối hợp.
tinh thể áp điện cũng có thể được dùng để phát hiện và truyền tín hiệu siêu âm. Dùng để phát hiện đối tượng, truyền các thông tin cho các sensor phản xạ...

2.2.5/ PHÉP ĐO VỊ TRÍ :
Vị trí cuả một đối tượng có thể được phát hiện theo :
- xung phản xạ lại với các sóng vô tuyến, sóng quang và siêu âm và được đo bằng thời gian trể giữa xung truyền đi và xung trả về – nếu tốc độ lan truyền đã biết thì khoảng cách đơn giản bằng vận tốc truyền x 1/2 thời gian truyền sóng đến đối tượng và trở về.
- Phương pháp thụ động như điện dung, điện trở hay độ dẫn.
 

2.2.6/ ÂM THANH
âm thanh có thể được xác định qua việc chuyển đổi sự thay đổi của áp suất thành tín hiệu điện. Đặc biệt là chuyển đổi điện dung được dùng nếu sóng âm tương đối mạnh và chuyển đổi tinh thể với những sóng yếu.


2.2.7/ VẬN TỐC VÀ GIA TỐC :
Vận tốc là sự thay đổi khoảng cách theo thời gian. Và sự thay đổi vận tốc với thời gian cho gia tốc. Phép đo vận tốc và gia tốc thường sử dụng cả phép đo độ biến dạng lẫn phép quan sát vị trí chuyển động để phát hiện sự thay đổi vị trí của khối lượng chuyển động.
ánh sáng

2.2.8/ DÒNG QUANG : Pho to diod và Photo Transitor : chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành dòng điện. Biểu tượng trên hình vẽ. Hoạt động trên cơ sở số các điện tử tự do sinh ra trong bán dẫn mật độ tia sáng tới. Photo diod hoạt động trên mode dòng điện ngược. Dòng điện ngược là phép đo của cường độ sáng. Với bán dẫn tỷ lệ thích hợp có thể hoạt động trên vùng hồng ngoại, vùng nhìn thấy hay vùng tử ngoại. Photodiod trên cơ sở GaAs nhạy với vùng hồng ngoại. Tạp photpho có thể nhạy với ánh sáng mầu cam. Galium phophode có thể phát hiện ánh sáng mầu xanh vùng nhìn thấy.


 

2.2.9/ TẾ BÀO QUANG DẪN :
Điện trở của tế bào quang điện thay đổi theo số tia sáng tới. Kiểu sensor này thường được dùng trong các hệ thống chiếu sáng tự động.
Tế bào Photo-gavanic
Thế hiệu được sinh ra nhờ tế bào photo-gavanic thay đổi theo số tia tới. Có thể được chế tạo từ selenium và dùng trong các camera đo độ sáng.

2.2.10/ ĐO DÒNG CHẢY :
Có ba phương pháp chính đo dòng chảy :
- Phương pháp turbin – gồm một trục turbin nối với một đầu đo cảm ứng từ. Tần số lối ra đầu đo thay đổi theo tốc độ dòng chảy. Có thể chuyển đổi thành thế hiệu qua bộ chuyển đổi tần số - điện thế.
- Điện từ – hoạt động trên cơ sở định lý Faraday cảm ứng. Thế cảm ứng giữa hai điện cực cô lập thay đổi khi tốc độ của chất lỏng truyền qua chúng. ưu điểm của phương pháp này là không làm cản trở dòng chảy nhưng đòi hỏi kích thước điện cực phải tương đối lớn. ngoài ra chất lỏng cũng phải có độ dẫn điện tốt.
Hiệu ứng Dopler. Đầu dò Dopler hoạt động trên cơ sở độ dịch tần số để phát hiện tốc độ dòng chảy. Hiệu tần số phát đi và phản xạ sóng siêu âm được dùng để đo tốc độ dòng chảy

 

 

2.3/ SO SÁNH GIỮA KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ VÀ SỐ :
Ưu điểm chính của kỹ thuật số so với tương tự là tín hiệu số ít bị ảnh hưởng bởi ồn. Các tín hiệu nhiễu không mong muốn cộng vào với tín hiệu gọi là ồn nguyên nhân có thể do các thiết bị ngoài sinh ra tĩnh điện trong không khí, từ các tín hiệu khác dọc theo đường truyền tín hiệu (chéo nhau ), từ bên trong các linh kiện điện tử, từ quá trình ghi và đọc từ,... Hình vẽ dưới đây biểu diễn tín hiệu số bị ảnh hưởng của ồn.

 

Dùng một bộ so sánh có lối ra bằng 1 nếu thế hiệu vào lớn hơn thế ngưỡng và bằng 0 khi nhỏ hơn. Nếu thế ồn nhỏ hơn thế ngưỡng thì ồn sẽ bị loại trừ khỏi tín hiệu. Cả khi ồn lớn hơn thế ngưỡng cũng có những kỹ thuật để giảm ảnh hưởng của ồn. Ví dụ các bít bổ xung có thể thêm vào số liệu để phát hiện lỗi hay chữa các bít lỗi.

Không gian lưu trữ cho tín hiệu (dữ liệu) số rất lớn. Ví dụ 70 phút âm nhạc chất lượng cao cần 600 MB bộ nhớ. Dữ liệu sau khi đã cất dữ sẽ là đáng tin cậy và không bị giảm chất lượng theo thời gian ( có thể bổ xung thêm các bít sửa sai), Dữ liệu có thể được cất nhữ các trường từ hoá trên đĩa từ hay các lỗ trên đĩa quang.

Độ chính xác cho hệ thống số tuỳ thuộc vào số bit cho mỗi lần lấy mẫu, khác với hệ analog tuỳ thuộc vào sai sô linh kiện. Hệ thống tương tự tạo ra các đáp ứng khác nhau với các hệ thống khác nhau khác vơi hệ thống số có đáp ứng đáng tin cậy.
Rất khó để có thể khôi phục lại tín hiệu tương tự gốc sau khi đã bị ảnh hưởng bởi ồn ( đặc biệt là ồn ngẫu nhiên ). Các phương pháp giảm ồn chủ yếu liên quan tới quá trình lọc và làm trơn tín hiệu. ( giáo trình Tin học I phần II - phòng thí nghiệm máy tính – Trung tâm ITIMS)

Một ưu điểm của kỹ thuật tương tự là tương đối dễ dàng để lưu giữ. Ví dụ, tín hiệu video và audio cất trong các băng đĩa từ và ảnh thì cất trên giấy ảnh. Các phương tiện này cũng bổ xung ồn vào tín hiệu khi lưu cất và khôi phục lại ( như xước băng đĩa từ ). Ngoài ra cũng không có cách nào để phát hiện lỗi trong tín hiệu tương tự. xem bảng so sánh.
 

 

2.4/ LÝ THUYẾT LẤY MẪU TÍN HIỆU:
Vì tín hiệu có thể biến đổi liên tục, việc lấy mẫu cần được tiến hành sau những khoảng thời gian xác định. Tốc độ lấy mẫu tín hiệu tuỳ thuộc vào tốc độ biến đổi của tín hiệu. Ví dụ tốc độ thay đổi nhiệt độ của biển không thay đổi nhiều theo thời gian những tốc độ thay đổi các điểm ảnh trong một cuốn phim video lại thay đổi nhanh chóng. Để mã hoá một tín hiệu số, thường người ta mã hoá nó ở nhữnng khoảng thời gian không đổi. Việc lấy mẫu phải đảm bảo giữ đủ thông tin cho qua trình tái tạo hay xử lý lại tin hiệu sau đó.

Nếu một tín hiệu được tái tạo lại như tín hiệu gốc cần phải được lấy mẫu ở tốc độ theo tiêu chuẩn Nyquist. phát biểu rằng tần số lấy mẫu cần phải ít nhất gấp 2 lần tần số cao nhất của tínn hiệu gốc. Ví dụ : tín hiệu audio chất lượng cao có tần số cao nhất cỡ 20KHz, tín hiệu này cần lấy mẫu ít nhất 40000 lần trong 1 giây ( 40KHz) hay 1 lần trong 25s ( lưu ý rằng các hệ thống audio chuyên nghiệp thường sử dụng tần số lấy mẫu cỡ 44.1KHz ) Hình vẽ biểu diễn một tín hiệu được lấy mẫu sau mỗi Ts giây.


2.4.1/ LƯỢNG TỬ HOÁ
Trước khi mã hoá một tín hiệu tương tự thành dạng số trước hết cần lượng tử hoá nó thành các mức riêng biệt về biên độ. Khi đã lượng tử hoá, các giá trị tức thời của tín hiệu tương tự không bao giờ có thể khôi phục lại chính xác nữa. Điều này dẫn đến các lỗi ngẫu nhiên còn gọi là lỗi lượng tử hoá. hình vẽ biểu diễn quá trình lượng tử hoá. Lưu ý rằng các mẫu thứ 11 và 12 được mã hoá như các giá trị nhị phân 0001 mặc dầu chúng hơi khác nhau về biên độ.


2.4.2/ MÃ HOÁ MẪU
Càng nhiều mức lượng tử càng giảm khoảng trống giữa các mức và tăng độ chính xác của giá trị mã hoá sau cùng. hình vẽ biểu diễn ví dụ của viêc mã hoá 3 bít đơn cực và lưỡng cực. Mã hoá đơn cực tín hiệu luôn luôn dương khác với lưỡng cực mã hoá cả 2 nửa biên độ dương và âm của tín hiệu. Cả thang lối vào của tín hiệu giữa 0 và FS ( toàn thang ) với đơn cực và -FS/2 đến FS/2 với hai cực. Điển hình là giữa 0 với 5, 10,15 V trường hợp đơn cực và +-5V, +-15V với trường hợp hai cực. Số mức lượng tử phụ thuộc vào số bít sử dụng. Trong trường hợp 3 bít sẽ có 8 mức lượng tử từ 000 đến 111


2.4.3/ LỖI LƯỢNG TỬ :
Lỗi cực đại giữa mức tín hiệu gốc và mức lượng tử xuất hiện khi mức gốc rơi đúng vào ẵ giữa hai mức lượng tử. do vậy mức sai số cực đại sẽ là một nửa của bề rộng một mức hay :
lỗi = +- (1/2)*(FS)/2N

 

Câu hỏi :
- Vai trò của các bộ cảm biến, nêu một số ví dụ một số bộ cảm biến lý, hoá, sinh mà bạn biết
- ưu nhược điểm của tín hiệu số so với tín hiệu tương tự ? giới hạn của việc áp dụng kỹ thuật số trong việc xử lý tín hiêu
- Tần số Nyquis là gì
- Bản chất của quá trình lượng tử, mã hoá< br /> - Sai số lượng tử là gì ?

 

Lần cập nhật cuối ( Thứ hai, 22 Tháng 3 2010 17:58 )
 

Tiếng Việt (Việt Nam)   English (United States)


Thời khóa biểu
Lịch làm việc học viên ITIMS

Lịch công tác ĐHBKHN
Lịch công tác ĐHBKHN


Hội cựu học viên

Thăm dò ý kiến

Theo bạn, Việt Nam cần đầu tư vào lĩnh vực nào dưới đây để tăng tốc độ phát triển?