Mở đầu
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, yêu cầu về độ chính xác và
tốc độ xử lý trong kỹ thuật đo lờng ngày càng đòi hỏi cao hơn. Điều đó không chỉ
xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật của các hệ thống thiết bị hiện đại mà còn từ nhu cầu về
lợi ích kinh tế và những đòi hỏi ngày càng khắt khe của ngời tiêu dùng.
Thiết bị đo lờng số đợc phát triển trên nền tảng kỹ thuật số và công nghệ chế
tạo vi mạch đã cải thiện đáng kể các chỉ tiêu về độ tin cậy, độ chính xác và tốc độ đo
so với các thiết bị đo tơng tự. Sự ra đời của công nghệ mảng các cổng có thể lập
trình theo các lĩnh vực Field Programmable Gate Array (viết tắt là FPGA) đã, đang
mở ra triển vọng mới trong thiết kế, chế tạo các thiết bị đo lờng hiện đại với các vi
mạch tổ hợp. Với kết cấu linh động có khả năng lập trình nên thực hiện thiết bị đo l-
ờng số trên một vi mạch tổ hợp FPGA cho phép nâng cao tốc độ xử lý tín hiệu trong
thời gian thực.
Thiết bị đo số với công nghệ FPGA không chỉ giải quyết tốt bài toán về tính
kinh tế, do tính mềm dẻo trong thiết kế và giá thành ngày càng giảm với sự phát
triển của công nghệ tích hợp, mà còn đáp ứng đợc các chỉ tiêu kỹ thuật cao. Với
những lý do nêu trên tôi chọn luận văn: Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ FPGA
để xây dựng thiết bị đo lờng số. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu các vấn đề
sai số và xử lý sai số trong đo lờng, cũng nh nghiên cứu các thiết bị phần cứng và
phần mềm hệ phát triển FPGA của hãng Xilinx. Từ đó ứng dụng công nghệ FPGA
để xây dựng bộ lọc số FIR cho thiết bị đo lờng số.
Nội dung của luận văn gồm ba chơng:
Chơng I : Sai số và xử lý sai số trong đo lờng
Nội dung của chơng là nghiên cứu về sai số, nguồn gốc của sai số và các ph-
ơng pháp xử lý sai số nhằm nâng cao độ chính xác của thiết bị đo.
Chơng II : Nghiên cứu công nghệ FPGA
Nội dung của chơng là nghiên cứu thiết bị công nghệ FPGA của hãng Xilinx,
vấn đề lập trình có cấu trúc với ngôn ngữ lập trình mô tả phần cứng VHSIC
Hardware Description Languages, VHDL, các đặc trng của phần mềm thiết
1
kế ISE, phần mềm mô phỏng ModelSim và các bớc thiết kế vi mạch tổ hợp

âm đến tín hiệu đo, sự không ổn định và tính phi tuyến của kênh xử lý tín hiệu đo,
sự không tuyến tính của thiết bị chỉ thị kết quả đo, sai số gây bởi phơng pháp đo, sai
số chủ quan của ngời thực hiện phép đo v.v
Sai số của thiết bị đo phản ảnh đặc trng của thiết bị, tính chất vật liệu của các
phần tử, đặc điểm của công nghệ sản xuất, điều chỉnh, khắc độ. Để làm sáng tỏ mọi
vấn đề liên quan đến sai số của thiết bị đo trớc tiên cần phải xác định các khái niệm
về thiết bị đo lờng.
Thiết bị đo là thiết bị có chức năng biến đổi đại lợng đa đến đầu vào thành tín
hiệu mang thông tin về số lợng. Trong trờng hợp tổng quát, một quá trình thời gian
bất kỳ đa đến đầu vào của thiết bị đo có nhiều tham số, thiết bị đo chỉ xác định một
trong các tham số này (hoặc hàm của tham số này) gọi là tham số đo (hay tham số
mang tin hay còn đợc gọi là đại lợng vào) của quá trình vào.
Quá trình vào đặc trng bởi nhóm tham số nào đó. Điện áp, một quá trình nh
vậy, là hàm ngẫu nhiên theo thời gian, đợc đặc trng bởi các tham số: phổ tần số (hay
3
hàm tự tơng quan), giá trị hiệu dụng, giá trị trung bình và giá trị đỉnh. Các tham số
này là tổng hợp các giá trị tức thời trên các khoảng thời gian xác định. Một trong
các tham số đó hay giá trị tức thời là đại lợng vào thiết bị đo.
Mọi tham số của quá trình vào, cả tham số mang tin lẫn tham số không mang
tin, đều có thể thay đổi, do đó đợc đặc trng bởi phổ tần số. Phổ tần số phản ánh dải
động của các quá trình này. Trờng hợp đơn giản nhất, đại lợng đầu vào đồng nhất
với quá trình vào, cụ thể giá trị tức thời của điện áp là đại lợng vào thì nó trùng với
quá trình vào.
Tín hiệu đầu ra thiết bị đo mang thông tin về giá trị của đại lợng vào (trong
trờng hợp tổng quát nó đợc đặc trng bởi nhiều tham số mang thông tin đo lờng gọi là
tham số mang thông tin của tín hiệu ra thiết bị đo, ví dụ tần số dao động của tín hiệu
ra (tín hiệu đợc đặc trng bởi biên độ và dạng dao động) là tham số mang thông tin
của tín hiệu vào một bộ biến đổi một đại lợng nào đó thành tần số.
Nh vậy thiết bị đo có chức năng biến đổi tham số mang thông tin của quá
trình vào thành tham số mang thông tin của tín hiệu ra. Một thiết bị đo bất kỳ có thể

tham số không mang thông tin của quá trình vào ảnh hởng lên các tham số của hàm
biến đổi thực tĩnh, sau này sẽ ký hiệu qua . Sự thay đổi ngẫu nhiên của tham số
hàm biến đổi thực tĩnh sẽ ký hiệu qua .
Khi sử dụng thiết bị, để xác định kết qủa đo lờng, ngời ta sử dụng đặc tính
biến đổi danh định, là hàm biến đổi tĩnh lý tởng của thiết bị. Đặc tính này ứng với
các điều kiện sử dụng nhất định: khi tất cả các nhân tố ảnh hởng , là hằng số và
bằng danh định; sai lệch là hằng số và bằng kỳ vọng toán học (thờng là 0); đại l-
ợng vào không đổi (dù có thể nhận giá trị bất kỳ trong dải đo của thiết bị); đại lợng
vào là một tham số của quá trình vào tuần hoàn có tần số danh định. Mặc dù đặc
tính biến đổi danh định ứng với điều kiện bình thờng, song ngời ta thờng dùng trong
các điều kiện làm việc rộng hơn, nên quyết định phần lớn sai số phép đo do sai số
của thiết bị.
Đặc tính biến đổi danh định có hàm biến đổi tĩnh ứng với các điều kiện sử
dụng nhất định. Khác với đặc tính khắc độ, đặc tính này là đặc tính mẫu. Ngời ta
xác định đặc tính khắc độ riêng lẻ đối với mẫu thiết bị đo cụ thể bằng cách khảo sát
thực nghiệm mẫu đó ở các điều kiện thông thờng. Sự tồn tại sai lệch ngẫu nhiên
5
bắt buộc ở bộ phận khắc độ của thiết bị đo phải xử lý thống kê các kết quả nhận đợc
và thiết lập đặc tính khắc độ theo đặc tính trung bình.
Đặc tính biến đổi danh định đợc thiết lập khi tổng hợp thiết bị với sơ đồ và
cấu trúc xác định. Đặc tính này đợc xác định trớc tiên bằng sơ đồ cấu trúc lý thuyết
của thiết bị đo, sau đó, đợc xác định rõ thêm trong nghiên cứu thực nghiệm. Do vậy,
hàm biến đổi tĩnh của một mẫu thiết bị cụ thể ở điều kiện làm việc bình thờng có thể
khác với đặc tính biến đổi danh định của thiết bị mẫu. Khi đó ngời ta điều chỉnh các
tham số của nó để sai lệch của đặc tính biến đổi danh định với hàm biến đổi tĩnh ở
điều kiện làm việc bình thờng là nhỏ nhất có thể. Ví dụ, nếu hàm biến đổi tĩnh của
thiết bị đo ở điều kiện làm việc bình thờng khác với đờng thẳng không nhiều, thì ng-
ời ta thờng xấp xỉ đặc tính biến đổi danh định bằng đờng thẳng.
Thiết bị đo sử dụng trong quá trình đo lờng để xác định giá trị của đại lợng
vào theo giá trị của tham số mang thông tin của tín hiệu ra. Khi đó đặc tính biến đổi

đánh giá theo quy luật xác suất và thống kê toán học.
Sự phân loại sai số trên về nguyên tắc là đúng song thờng không cho phép
tính toán và đánh giá sai số thực của thiết bị đo khi nó đợc khai thác sử dụng trong
các điều kiện thay đổi một cách ngẫu nhiên.
Cụ thể sự phân loại trên ta chia chúng ra trên ba nhóm:
Sai số c thuộc nhóm đầu tiên, nó chỉ chịu sự chi phối của sai lệch giữa đặc
tính biến đổi danh định với hàm biến đổi tĩnh của thiết bị ở các điều kiện thông th-
ờng. Các sai số này là hàm không ngẫu nhiên của đại lợng đầu vào. Điều này đúng
cho bất cứ mẫu thiết bị nào. Để tổng hợp thiết bị đo có dạng nhất định, sai số c là
ngẫu nhiên và phụ thuộc vào dung sai cho phép của tham số phần tử thiết bị đo và
công nghệ và kỹ thuật sản xuất chúng.
Sai số thuộc nhóm 2 là hàm xác định của các đối số ngẫu nhiên, trong thực tế
chúng là các tham số ,. Các tham số này là các hàm ngẫu nhiên theo thời gian.
Sai số thuộc nhóm thứ 3 là sai số ngẫu nhiên bị quy định bởi ảnh hởng sai
lệch . Ta có thể phân chúng thành hai nhóm:
+Sai số là hàm tơng quan yếu, hay nói chung, là hàm ngẫu nhiên không tơng
quan theo thời gian (phổ rộng), ví dụ, sai số do tạp âm riêng của các phần tử điện tử,
bán dẫn của thiết bị đo.
+Sai số là hàm ngẫu nhiên tơng quan mạnh (phổ hẹp) gần tần số 0 ví dụ sai
số do tham số của thiết bị đo lờng trôi theo thời gian.
7
Đối với các thiết bị đo làm việc trong thực tế ta thờng xem các nhân tố và
là hàm ngẫu nhiên theo thời gian. Tuy nhiên chỉ có thể đánh giá sai số khi , đợc
cho là các hàm xác định. Việc xác định giới hạn thay đổi của , làm cho việc đánh
giá sai số thiết bị đo không chính xác.
Mỗi tham số của hàm biến đổi thực tĩnh là đợc xác định trong sự phụ thuộc
của các tham số với nhau:
1, Quá trình tơng quan

và không tơng quan


, là rất khó khăn.
Với độ chính xác đảm bảo, trong các mạch thực tế nhiều trờng hợp,

,

,
, có thể biểu diễn ở dạng tổng của các kỳ vọng toán học và các hàm ngẫu nhiên
dừng tập trung egodic, các quy luật phân bố đều của nó thờng tiến gần đến quy luật
8
phân bố chuẩn hay trong nhiều trờng hợp tơng ứng với các quy luật phân bố xác suất
đã biết.
Cần phải nhấn mạnh rằng, khi tính đến các nhân tố bên ngoài là quá trình
ngẫu nhiên, không thể xác định quy luật phân bố cụ thể của các nhân tố bên ngoài
đối với mỗi thiết bị đo nào đó. Thực tế, ta phân loại các điều kiện sử dụng thiết bị và
thiết lập quy luật phân bố trung bình của các nhân tố này ứng với mỗi trờng hợp.
Với nhiều trờng hợp thực tế, thiết bị đo đợc đặc trng bởi quy luật phân bố xác
suất của sai số là đối xứng. Để đánh giá sai số có căn cứ cần phải biết kỳ vọng, hàm
tự tơng quan hay mật độ phổ, phơng sai, nếu quy luật phân bố sai số cha biết. Ta sẽ
đánh giá sai số của thiết bị đo theo các đặc trng đã nêu, ở đó ta giả sử rằng, sai số
của thiết bị là quá trình ngẫu nhiên không dừng, có thể đợc biểu diễn bằng tổng của
kỳ vọng toán học, là hàm xác định theo thời gian, với quá trình ngẫu nhiên, tập
trung, dừng, egodic.
1.3. Mô hình phân tích tính toán sai số
1.3.1. Sai số của thiết bị đo đợc quy về đầu vào và đầu ra
Sai số của thiết bị đo, là đặc trng phản ánh khả năng tiến gần đến chân lý khi
đo giá trị của đại lợng vào, cần phải đợc biểu diễn theo tỷ lệ của đại lợng vào tức cần
phải đợc quy về đầu vào.
Nếu ký hiệu x
H

yyxfxf == )()(
(1.2)
Quan hệ giữa và
B
ứng với cùng giá trị x đợc thiết lập nh sau:
9
Từ (1.1) ta có:
+=

xxff
H
)]([
1
(1.3)
Lấy hàm f
H
cho cả hai vế của phơng trình:
f(x)=f
H
(x+) (1.4)
So sánh (1.2) và (1.4): f
H
(x+)=f
H
(x)+
B
(1.5)
Biểu thức (1.4) và (1.5) cho phép biểu diễn thiết bị đo có hàm biến đổi thực
dừng f(x), trong các điều kiện làm việc thực, bằng thiết bị đo lý tởng có hàm biến
đổi tĩnh là đặc tính biến đổi danh định; tổng của đại lợng vào và sai số quy về đầu

)()(
x
x
h
B
dx
xfd
xx
(1.6)
tức sai số
B
quy về đầu vào của thiết bị đo ở điểm x của dải đo bằng sai số quy về
đầu vào (ở cùng điểm x của dải đo) nhân với giá trị đạo hàm theo x của đặc tính
biến đổi danh định ở điểm x+(x)/2 của dải đo.
Biểu thức (1.6) là đúng với các thiết bị tuyến tính (hàm biến đổi tuyến tính)
cũng nh đúng cho thiết bị tạo hàm, còn không đúng cho các bộ biến đổi A/D và các
10
Thiết bị đo
thực
x y=f(x)
Thiết bị đo
lý tởng
x+ F
H
(x)+
B
thiết bị đo số xây dựng dựa trên chúng do đặc tính biến đổi danh định của thiết bị đo
nh thế là đờng bậc thang là hàm không vi phân đợc. Quan hệ giữa giá trị sai số quy
về đầu vào và đầu ra đối với các thiết bị đo số là phức tạp hơn đáng kể.
Cần nhớ rằng, đặc điểm của lợng tử theo mức đợc biểu hiện trên quan hệ giữa

tuyến đợc phản ánh bởi sai số
C
. Tính toán sự thay đổi này là rất phức tạp do phải
phân tích ảnh hởng của tính chất các phần tử của sơ đồ thiết bị đo lên sai số của nó.
Hơn nữa, sự thay đổi dạng của hàm biến đổi thực tĩnh dới ảnh hởng của , nh đã
biết là rất không đáng kể so với thành phần sai số còn lại của thiết bị đo. Vì vậy thiết
11
bị đo tơng tự phi tuyến đợc ghi lại bằng các đặc trng sau đây: hệ số biến đổi danh
định K
H
(đặc tính biến đổi danh định tuyến tính); sai số hệ thống
C
, không phụ
thuộc vào các nhân tố , (không đổi theo thời gian), phản ánh tính phi tuyến của
hàm biến đổi thực tĩnh và là hàm phi tuyến của đại lợng vào x; thành phần cộng tính

a
của sai số, không phụ thuộc vào x, phản ánh sự dịch song song của hàm biến đổi
thực tĩnh so với đặc tính biến đổi danh định dới ảnh hởng của ,,; thành phần sai
số nhân
m
x tỷ lệ đờng thẳng với x và phản ánh sự xoay hàm biến đổi thực so với
đặc tính biến đổi danh định dới tác động của ,,,. Vậy, có thể viết :
y=K
H
x+
c.B
(x)+
aB
+

tơng đơng gồm: thiết bị đo tơng tự; tín hiệu

bằng tổng của sai số
KB
lợng tử hoá
f
h
(x)
f(x)

aB
k
H
x

mB
x
cB(x)
y
x
12
theo mức và các sai số khác của thiết bị đo số đợc quy về đầu vào; bộ lợng tử hoá tín
hiệu đầu ra theo thời gian (hình 1.3).
Hình 1.3: Biểu diễn thiết bị đo số ở dạng tơng tự có tín hiệu tác động lên đầu vào t-
ơng đơng về sai số và bộ lợng tử hoá theo thời gian
Nh vậy, khi phân tích mối liên hệ giữa sai số và các tham số của sơ đồ thiết bị
đo phi tuyến trong trờng hợp chung sẽ là hợp lý nếu ta xem nó là hệ thống động
tuyến tính đợc đặc trng bởi hàm truyền W

(s), với các tín hiệu tác động lên đầu vào


y=f(x)
y=f(x)x
13
W

(s)
x(s)+c(x)+a(s) y(s)+K
H
x(s)+b(s)
1.4.1. Khái quát chung
Sai số tĩnh của thiết bị đo trong điều kiện thực là hàm của đại lợng đầu vào và
là hiệu của hàm biến đổi thực tĩnh với đặc tính biến đổi danh định ở thời điểm đo.
Để bảo đảm độ chính xác cao của thiết bị đo cần cực tiểu hoá hiệu số này. Ngoài ra
còn có các cách khác để giảm sai số đo lờng là: phơng pháp xử lý trung bình các tín
hiệu ra với mục đích loại bỏ sai số ngẫu nhiên tơng quan yếu, các phơng pháp loại
trừ sai số không đổi và tơng quan mạnh (thay đổi chậm) bằng cách tạo ra các điều
kiện đo thích hợp (xoay thiết bị đo đi 180
0
, lấy giá trị trung bình hai tín hiệu ra để
loại trừ ảnh hởng của từ trờng bên ngoài; thay đổi cực tính mắc vôn mét với nguồn
suất điện động một chiều đợc đo, lấy giá trị trung bình 2 tín hiệu ra để loại bỏ ảnh h-
ởng của hiệu điện thế tiếp xúc của vôn mét v.v )
Trong các trờng hợp áp dụng điều chỉnh tự động giá trị tín hiệu ra, ta xem
việc điều chỉnh là quá trình thay đổi hàm biến đổi thực tĩnh. Có hai dạng tác động
lên hàm thực này là tác động lên các tham số của các phần tử của sơ đồ, cấu trúc của
thiết bị đo và tác động lên tín hiệu đầu ra của thiết bị đo.
Việc bảo đảm sai lệch giữa hàm biến đổi thực tĩnh và đặc tính biến đổi danh
định của thiết bị đo nhỏ khi sử dụng ở các điều kiện khác nhau có thể theo hai cách.
Cách thứ nhất là bảo đảm hàm biến đổi thực tĩnh của thiết bị đo không thay đổi theo

vào kênh truyền thẳng, thì sự phụ thuộc của y vào tham số mang thông tin x của tín
hiệu vào thiết bị đo có dạng:
y=
k
kxa

+
+
1
(1.8)
ở đây: là hệ số phản hồi
Đặc tính biến đổi danh định của thiết bị phi tuyến có phản hồi thờng có dạng
H
H
H
k
xk
xfy

+
==

1
)(
(1.9)
ở đây k
H
là giá trị danh định của hệ số biến đổi sai lệch.
Từ đây sai số đợc quy về đầu vào thiết bị đo :
x

+
=
+
=



1
11
(1.10)
15
Khi biểu diễn
kkk
H
=
và giả sử
k
nhỏ thì :
x
k
k
k
k
k
k
a
H
H
HH


k
a
HHHH










+




1
1
1
(1.12)
Khi không có phản hồi âm sai số tơng tự đợc biểu diễn:
x
kk
a
H
K
H


truyền thẳng không tuyến tính, thì có phản hồi âm sẽ làm giảm tính phi tuyến, tức
làm giảm sai số c.
Các biểu thức đa ra cho sai số của thiết bị đo có phản hồi âm nhận đợc với
giả thiết rằng, sự thay đổi của các tham số phần tử và tạp âm cộng tính gây ra sai số
này chỉ ở trong kênh truyền thẳng, sự thay đổi các tham số của các phần tử và tạp
âm trong phần phản hồi là không đợc đặt ra.
16
Nh vậy phản hồi âm làm giảm sự thay đổi của hệ số biến đổi sai lệch (tức sai
số nhân) của kênh truyền thẳng và là phơng tiện tổng hợp làm giảm sai số do tất cả
các nguyên nhân có thể c, ,
Hạn chế cơ bản của giảm sai số nhân bằng phơng pháp phản hồi âm gắn liền
với tính ổn định và độ chính xác của các tham số của mạch phản hồi . Cụ thể, sự
thay đổi tham số của các phần tử và tạp âm kênh truyền thẳng bị hạn chế bởi dải
thông của mạch phản hồi. Mở rộng dải thông có thể dẫn tới giảm độ ổn định của hệ
thống, thậm chí dẫn tới sự phức tạp và tăng số lợng các nguồn gây sai số mà phản
hồi âm không thể nén đợc.
Do những đặc điểm đã đánh giá, việc áp dụng phản hồi âm không thể đảm
bảo độ chính xác của thiết bị theo yêu cầu cao. Hầu nh trong thiết bị đo chính xác
đều sử dụng phản hồi tuy nhiên thờng cha đủ.
1.4.2.b. Các phơng pháp các thành phần tham số
Phơng pháp các thành phần tham số dùng để giảm sai số ngẫu nhiên nội bộ
x

bị quy định bởi sự thay đổi ngẫu nhiên của các tham số và tạp âm riêng. Vì vậy
ta sẽ xem
x

là hàm ngẫu nhiên dừng tập trung theo thời gian.
Trong phơng pháp này một vài phần tử phụ đợc mắc vào sơ đồ của thiết bị
đo. Các phần tử phụ gây ra thành phần ngẫu nhiên dừng tập trung

x

và
xk

có thể xác định theo công thức:
)/()(),(
213 xxxxx
fff =

(1.16)
còn mật độ xác suất của thành phần
0x

có thể xác định theo công thức:

+

= )(),()(
0304 xxxxx
dff
(1.17)
17
Phân tích hàm
)(
1 x
f
và
)(
04 x


x

đợc đặc trng bởi hệ số tơng quan
k
r
, để bù tốt hơn,
hệ số này cần tiến tới 1. Do vậy, phơng sai của sai số
0x

:
][][2][][][
0 xkxxkxx
DDrDDD +=
(1.18)
Từ công thức này hiển nhiên là ở các điều kiện xác định, có thể bảo đảm thực
hiện bất đẳng thức
][][
0 xx
DD <
tức là giảm sai số thiết bị đo. Nếu phần tử cơ bản
và phần tử bù là giống nhau, điều đó có thể không thay đổi quan hệ giữa
x
và
k
x
,
tức là không thay đổi
k
r

và
xk

có mối liên hệ không ngẫu nhiên (
1=
k
r
) thì
2
0
)][][(][
xkxx
DDD =
(1.21)
Do vậy có thể xem bù sai số hệ thống bằng phơng pháp các thành phần tham
số là trờng hợp riêng của bù sai số ngẫu nhiên dựa trên các phụ thuộc tựa tĩnh.
Ví dụ thành phần
)(x
i


của sai số
x

, liên hệ với sự thay đổi của nhân tố
ảnh hởng
i

theo công thức:
ixaax


có thể mắc vào sơ đồ thiết bị đo phần tử phụ, có
các tham số phụ thuộc vào sự thay đổi của nhân tố i gây ra thành phần sai số phụ
)(x
ik


, và sai số còn lại là:
)()()(
0
xxx
ikii

=
(1.24)
Cần chọn phần tử phụ gây ra thành phần sai số có dạng (1.22)
ixbbx
ik


)()(
21
+=
ở đây b1, b2 là các hằng số.
Hệ số tơng quan giữa thành phần
i


và
ik


,
cần phải đa vào sơ đồ các
phần tử phụ riêng rẽ; giảm ảnh hởng của mỗi nhân tố này đợc thực hiện riêng rẽ.
Hạn chế cơ bản của phơng pháp là không thể bảo đảm trên thực tế sự thay đổi giống
nhau của tham số các phần tử phụ và cơ bản, ảnh hởng lên sai số thiết bị đo cả trong
dải thay đổi của các nhân tố ảnh hởng lẫn trong dải thay đổi của đại lợng đo.
Phơng pháp các thành phần tham số thờng đợc áp dụng để giảm các sai số
thay đổi chậm (nhiệt độ, tần số, trôi 0). Vì vậy vấn đề đồng nhất đặc tính tần số của
các phần tử cơ bản và phần tử phụ thực tế là không đặt ra. Tuy nhiên nếu các phơng
pháp này áp dụng để bù sai số nhiệt độ của thiết bị đo trong điều kiện nhiệt độ môi
trờng xung quanh thay đổi mạnh, thì vấn đề này trở nên phức tạp.
19
1.4.3. Hiệu chỉnh tự động sai số của thiết bị đo
Điểm khác biệt cơ bản của phơng pháp tự động hiệu chỉnh sai số của thiết bị
đo là bảo đảm hàm biến đổi thực tĩnh tiến đến đặc tính biến đổi danh bằng cách thay
đổi hàm biến đổi thực dới tác động của tín hiệu hiệu chỉnh, tín hiệu này là hiệu giữa
hàm biến đổi thực tĩnh và đặc tính biến đổi danh định, tức sai số của thiết bị đo. Do
vậy một trong các thao tác cơ bản của quá trình tự động hiệu chỉnh sai số thiết bị đo
là đánh giá sai số này và xử lý tín hiệu hiệu chỉnh.
Việc đánh giá sai số thiết bị đo có thể thực hiện bằng tính toán hay thực
nghiệm. Đánh giá bằng thực nghiệm là phổ biến hơn do nó cho sai số tổng cộng
không phụ thuộc vào tính chất của thiết bị đo.
Xác định sai số bằng tính toán thì hạn chế hơn. Trong quá trình vận hành của
thiết bị đo, thực tế chỉ có thể xác định bằng cách tính toán chỉ một vài thành phần
của sai số tổng cộng khi sự phụ thuộc của chúng vào các nhân tố ảnh hởng đến tính
chất đo lờng của thiết bị đo là đã biết. Nhng trong quá trình vận hành thiết bị đo các
nhân tố này có thể thay đổi, nên cần đánh giá liên tục thờng xuyên có hệ thống.
Sai số của thiết bị đo có thể xác định bằng thực nghiệm cả ở đầu vào và đầu
ra của thiết bị đo. Tín hiệu hiệu chỉnh z

K
()Phơng pháp thứ hai đợc nêu ở hình 1.6. Sai số của thiết bị đo quy về đầu ra là
hiệu số giữa các giá trị thực y và danh định y
p
của tín hiệu ra thiết bị đo (ứng với giá
trị x
p
đã biết của tín hiệu mẫu). Giá trị danh định của y đợc xử lý bởi bộ biến đổi
thẳng mẫu. Hiệu số giữa y-y
p
bằng sai số quy về đầu ra
B
(x
P
) và đợc tách ra bởi sơ
đồ tính toán và là tín hiệu hiệu chỉnh z
K
(
B
)
Hình 1.6: Sơ đồ cấu trúc của phơng pháp tín hiệu mẫu
Phơng pháp thứ 3 đợc nêu ở hình 1.7. Sai số quy về đầu vào là hiệu số giữa
giá trị danh định đầu vào và thực tế. Giá trị x
H
ở đầu ra của bộ biến đổi mẫu đợc
biến đổi ngợc
)(

H
(x
p
) y(x
p
)
z
x
(
B
)=
B
(x
p
)
y
Thiết bị đo
Sơ đồ tính toán
Thiết bị biến
đổi thẳng mẫu
x x
H
z
k
()=(x)
x
y
21
Ba phơng pháp đã chỉ ở trên về tạo ra tín hiệu hiệu chỉnh tơng ứng với 3 ph-
ơng pháp hiệu chỉnh sai số. Phơng pháp đầu tiên tơng ứng với nguyên tắc điều chỉnh

Trong phơng pháp này, sai số thiết bị đo quy về đầu ra, tức là hiệu số giá trị
của hàm biến đổi thực tĩnh và đặc tính biến đổi danh định, là tín hiệu điều khiển quá
trình hiệu chỉnh. Hiệu số này đợc xác định bằng cách so sánh giá trị thực của tín
hiệu đầu ra nhận đợc khi truyền đến đầu vào giá trị của đại lợng mẫu đã biết (tín
hiệu mẫu) với giá trị danh định của tín hiệu đầu ra đợc xác định theo đặc tính biến
đổi danh định của thiết bị đo với cùng giá trị của đại lợng đầu vào.
Khi hiệu chỉnh sai số của thiết bị đo tơng tự, tín hiệu đầu ra là một đại lợng
vật lý nào đó (tín hiệu điện là dòng, điện áp ; tín hiệu nén là áp lực ; tín hiệu cơ khí
là lực, sự dịch chuyển ), giá trị danh định của nó ứng với giá trị của tín hiệu mẫu
nhận đợc nhờ bộ biến đổi có hàm biến đổi thực tĩnh trùng với đặc tính biến đổi danh
định của thiết bị đo có hiệu chỉnh, hay nhờ bộ hiệu chuẩn làm giá trị của đại lợng
vật lý phù hợp với giá trị của tín hiệu mẫu
Việc tạo ra bộ biến đổi và bộ hiệu chuẩn chính xác là rất khó khăn. Thực tế
phơng pháp này dùng cho thiết bị đo tơng tự để hiệu chỉnh chỉ sai số trôi 0 (sai số
cộng), khi giá trị danh định của tín hiệu đầu ra bằng 0.
Khi hiệu chỉnh sai số của thiết bị đo số, tín hiệu ra là ở dạng mã, việc nhận đ-
ợc giá trị danh định của tín hiệu là dễ dàng cho nên không đòi hỏi khắt khe đối với
các bộ biến đổi , các bộ hiệu chuẩn v.v Vì vậy phơng pháp hiệu chỉnh này đợc sử
dụng rộng rãi trong việc nâng cao độ chính xác của thiết bị đo số.
Nh vậy, khi hiệu chỉnh bằng phơng pháp, tín hiệu mẫu đợc đa đến đầu vào
của thiết bị đo, cần ngắt chế độ làm việc- chế độ đo. Giá trị sai số quy về đầu ra của
thiết bị đo đợc sử dụng trong hệ thống tự hiệu chuẩn hay trong hệ thống áp dụng
điều chỉnh.
Phơng pháp các tín hiệu mẫu có đặc điểm cơ bản sau đây:
1. Trong thành phần hệ thống hiệu chỉnh có bộ biến đổi thẳng mẫu, độ chính
xác của việc hiệu chỉnh phụ thuộc vào độ chính xác của bộ biến đổi này.
23
2. Tín hiệu hiệu chỉnh ứng với sai số tổng cộng của thiết bị đo ở các điều kiện
giống nh khi ta đa tín hiệu mẫu tới đầu vào thiết bị đo. Trong sai số này nói
chung có các thành phần c, ,, còn tín hiệu hiệu chỉnh chỉ tính toán thành

Việc áp dụng phơng pháp trong hệ thống tự hiệu chuẩn đợc mô tả trên ví dụ
về bộ khuếch đại đo lờng tuyến tính gồm 2 tầng tuyến tính 1 và 2 mắc nối tiếp nhau
với các hệ số khuếch đại là K1 và K2 (hình 1.8)
Hình 1.8: Sơ đồ khối của phơng pháp biến đổi ngợc (khi hiệu chuẩn)
Đặc tính biến đổi danh định của bộ khuyếch đại có dạng:
Y
H
=f
H
(x)=K
H
x (1.25)
ở đây K
H
=K
1H
K
2H
; K
1H
, K
2H
là giá trị danh định của K1 và K2.
Vậy sai số tuyệt đối quy về đầu vào của bộ khuếch đại có hiệu chỉnh là:
1
1
2
1
1
4

K
KKK
K
21

=

sai số tơng đối của hệ số khuếch đại; K
K
là hệ số khuếch đại của
bộ khuếch đại tín hiệu hiệu chỉnh.
Từ công thức (1.26), để giảm đáng kể sai số quy định bởi tính chất của bộ
khuếch đại hiệu chỉnh cần phải chọn K
K
>>K
1
. Vậy có thể viết xấp xỉ là:
21
4
3
a
1
a
2
a
4
z
k=
x
y