1
Ch6 Analog 1
ch 6. analog interfacing
In this Chapter:
Analog Signal Interface Overview
Analog Electronics - Conditioner
Digital to Analog Converters
Analog to Digital Converters
DAS - SCADA - DCS/QCS
Ch6 Analog 2
6.1. analog signal interface overview:
Là hàm của 1 (hoặc
nhiều) biến độc lập,
đại lợng vật lý theo
thời gian: nh tiếng
nói, nhiệt độ... theo
thời gian: A=f(t,h)
Xuất hiện liên tục
trong khoảng thời
gian t
0
-t
1
Giá trị biến thiên liên
tục trong khoảng biên
độ từ A
0
đến A
1
,có
thể đa trị.

Pt100, cặp nhiệt điện, piazo (titanate-bary), tenzometric
–Thiết bị: có sự gia công/chế tác – ví dụ LM135
precision temperature sensor, bán dẫn
• Conditioners:
– Vì tín hiệu từ sensors thường rất nhỏ, có thể có nhiễu và
phi tuyến => có mạch điện tử analog để xử lý tín hiệu:
khuếch đại, lọc nhiễu, bù phi tuyến... cho phù hợp.
4
Ch6 Analog 7
• MUX: analog multiplexer – bộ dồn kênh
– Inputs: n bit chọn kênh, có 2
n
kênh số đo analog, đánh số từ
0..2
n
-1;
– Output: 1 kênh chung thông với 1 trong số 2
n
inputs và duy
nhất;
–Như vậy chỉ cần 01 hệ VXL/MT và 01 ADC vẫn thu thập
được nhiều điểm đo công nghệ
•Trích mẫu và giữ -Sample & Hold:
– Dùng để trích mẫu của t/h khi có xung sample (100s ns.. vài
us) và giữ nguyên giá trị của t/h trong khoảng thời gian lâu
hơn để ADC chuyển đổi được ổn định;
–Chỉ dùng trong các trường hợp tín hiệu biến thiên nhanh
tương đối so với thời gian c/đ của ADC;
– Nâng cao độ chính xác và tần số của th.
Ch6 Analog 8

6.2c.
Mô
hình
hệ
DCS
6
Ch6 Analog 11
H. 5.02d. Mô hình hệ SCADA
Ch6 Analog 12
6.2. analog electronics: chuÈn hãa tÝn hiÖu
• Operational Amplifiers - OpAmps - KhuÕch ®¹i
thuËt to¸n ®Ó t¹o c¸c bé conditioners – chuÈn hãa
tÝn hiÖu
• Analog Switches & Analog Multiplexers
• Reference Voltage Sourcers - nguån ¸p chuÈn
• Sample & Hold - trÝch mÉu vµ gi÷
• Converssion Errors - Sai sè chuyÓn ®æi
• ...
7
Ch6 Analog 13
6.2. analog electronics: 6.2.1. Opamp
Là vi mạch khuếch đại, nối
galvanic, xử lý th từ 0Hz.
Tín hiệu gồm:
2 chân tín hiệu Inv. Inp và
Non Inv. Input
Chân Output
Nguồn cấp: +Vcc, -Vcc( Gnd)
Chỉnh Offset.
Có thể có thêm chân nối tụ

Linear FET: TL 081/ 082/ 084 (TI), LF356/357/347..(NS)
Linear Hybrid: LH0024/ 0032 (NS-Hi Slewrate)
Instrumentation OpAmp: LM725/ LH0036/ 0038/ 0084
(NS)
Ch6 Analog 16
Hình 6.05a. Analog Comparator, dùng trong ADC
9
Ch6 Analog 17
H×nh 6.05b.
Ch6 Analog 18
H×nh 6.05c
10
Ch6 Analog 19
H×nh 6.05d
Ch6 Analog 20
H×nh 6.05e
11
Ch6 Analog 21
H 6.05f: Differential apmlifier
Ch6 Analog 22
H×nh 6.05-g. Instrumentation Ampl.
12
Ch6 Analog 23
Hình 6.05-h, dùng trong các ADC tích phân 2 sờn
dốc, có thời gian CĐ chậm, độ phân ly, CX cao, rẻ
Ch6 Analog 24
Hình 6.05-j, Active filter,
f
c
mà tại đó biên độ tín hiệu giảm 0.707

H6.05g, tầng Vào Vi sai – Ra Vi sai: 30 – 100 lần, tầng
Vào Vi sai – Ra Đơn cực: 10 đến 30.
–Lưu ý: chọn HSKĐ càng lớn:
•Băng thông giảm bấy nhiêu lần
• Điện trở vào giảm bấy nhiêu lần
• Độ ổn định của mạch giảm: trôi zero theo thời gian, nhiệt độ…
15
Ch6 Analog 29
• Dùng mạch cộng để dịch trục. Ví dụ: Sensor nhiệt
độ LM335:
– Range: -0
o
C … +100
o
C
– Sensitivity: nếu cấp dòng từ 0,5-5mA =>10mV/
o
K, @
0
o
C => 2,73V; 100
o
C => 3,73V. Nếu muốn đo theo
O
C
=> phải dịch trục, trừ đi 2,73V. Tùy thuộc vào ADC
Input Voltage sẽ khuếch đại mấy lần.
–Nếu ADC Input Voltage = 5V => sẽ dùng mạch KĐ -5
lần. Như vậy mới khai thác triệt để được độ phân ly của
ADC

Biên độ tín hiệu:
Vss<Us<Vdd
Tần sut ON/OFF : ..10
9
s/s
ICs: CD 4052/ 53, LF11331
Ch6 Analog 34
6.2.2. analog switch & multiplexer: b. Multiplexers
Hình 6.07. Functional Block Diagram Analog MUX
18
Ch6 Analog 35
2
n
switches nối chung 1 cực
n bit chọn kênh => 2
n
kênh, 1 trong số 2
n
kênh đợc
chọn trong 1 thời điểm.
Chức năng MUX và DeMUX
Có tín hiệu Inhibit - cấm tất cả các kênh
Biên độ tín hiệu: Vss <U(s) < Vdd , Chú ý hiện
tợng 'xuyên kênh' (Cross-talk)
Tần số tín hiệu : ... MHzGHz
Dòng điện nhỏ, cỡ àA => thờng dùng mạch follower để
loại trừ R
on
ICs: CD 4051, 74HC4051 (TI), DG508A, 509A (Maxim)
6.2.2. analog switch & multiplexer: b.MUX

Các vi mạch: LH0070, LM199s, LM136s (NS)
6.2.3. voltage reference - u
ref
19
Ch6 Analog 37
Trích mẫu của tín hiệu vào thời điểm cuối của xung
Sample và giữ nguyên giá trị đó trong khoảng thời gian
lâu hơn.
Dùng trong các hệ thu thập số liệu khi tốc độ biến
thiên tín hiệu cao (tơng đối) với thời gian ADC chuyển
đổi
Thu hẹp cửa sổ bất định của ADC - do thời gian
chuyển đổi dài (10s às - ms) thành cửa sổ bất định của
S&H (10s ns..às) => nâng cao độ chính xác chuyển đổi
A/D và nâng cao tần số tín hiệu.
Thời gian trích mẫu: vài chục ns đến vài às
Tụ giữ (C
hold
): dùng tụ có dòng rò rất nhỏ
Tốc độ sụt áp: mV/s, tuỳ thuộc tụ
Guard Ring: kỹ thuật chế tạo mạch giảm thiểu dòng rò
6.2.4. Sample & Hold (trích mẫu & giữ)
Ch6 Analog 38
Hình 6.08. Symbolic Sample & Hold
ICs: LF189s (NS); AD585 (Analog Device Inc.)
20
Ch6 Analog 39
Ch6 Analog 40
H×nh 6.09. BiÓu ®å chuyÓn ®æi tÝn hiÖu w/o [w] S&H
21

=> sample, start ADC, t
2
=> sample, start ADC...
Ch6 Analog 42
Hình 6.10. Tính tần số hình sin với DAC 574
Case study: u(t)= 5+5*sin(t+) (V). ADC 12bit, 35às
converssion time, U(ref) = 10,24V. Sai số lợng tử = 1/2
U
LSB
. Hỏi tần số tín hiệu max - không sai trong 2 trờng
hợp w - w/o S&H. Sample time=100ns
22
Ch6 Analog 43
Ch6 Analog 44
•Sai số tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x
∆x = x – x*
•Sai số tương đối: δ% = (∆x/x) x 100
•Sai số do sensor:
–Sai số có tính hệ thống:
• Do nguyên lý của sensor,
•Chuẩn thang, xử lý kết quả đo
–Sai số ngẫu nhiên:
• Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, ảnh hưởng của môi trường
6.2.5. C¸c sai sè chuyÓn ®æi
23
Ch6 Analog 45
Ch6 Analog 46
Sai số lợng tử: do việc rời rạc hóa tín hiệu => lấy
trung bình, loại trừ bớt
Sai số do mạch chuẩn hóa (conditioner) analog:

–số bit (reslution),
–Thời gian cđ 10s ns .. 100s ns,
–Cấu trúc: Built-in latched – ghép nối trực tiếp với bus
/unlatched cần có out-port, bus 8 hay 16 bit
– Signed – điện áp ra 2 dấu hoặc unsnigned – điện áp ra 1
dấu.
25
Ch6 Analog 49
• Ứng dụng:
+ Tổng hợp tín hiệu:
- Đàn Organ,
- Functional Generators, phát tín hiệu chuẩn
- Voice Chip,
+ VGA/SVGA: RAM-DAC
+ Tái tạo: Âm thanh số, MP3, CD, KaraOke...
+ Ghép nối giữa hệ thống số (PC, PLC...) => bộ
điều khiển analog, tạo ra các SET-POINT
+ Bộ nhân tín hiệu analog - 4 góc: nhân hệ số với
U(in) thay cho U
REF
Ch6 Analog 50
6.3. DAC - Digital to Analog Convertors
6.3.2. Nguyên lý
cấu trúc và
Hoạt động
(hình 6.15)
Hình 6.15. Nguyên lý DAC