Có nhiều lý do để sử dụng tín hiệu trong nhà máy. Tuy nhiên gom chung lại, ta có các nguyên nhân sau: Show
Các thiết bị thường dùng tín hiệu analog?Trong nhà máy, ta có thể bắt gặp thường xuyên các loại thiết bị có tín hiệu output dạng analog 4-20mA hoặc 0-10V như: Nhiễu tín hiệu analog là gì?Có thể định nghĩa đơn giản việc nhiễu tín hiệu là trạng thái của tín hiệu khi bị tác động của các loại sóng khác như sóng hài hoặc các loại xung của biến tần, mô tơ công suất lớn, hoặc cái loại máy hàn điện…. Biểu hiện của việc nhiễu tín hiệu analog:Đơn giản nhất của việc nhiễu tín hiệu analog là khi ta dùng các thiết bị chuyên dụng để đo tín hiệu analog 4-20mA tại vị trí cảm biến thì tín hiệu vẫn bình thường, output ra rất đẹp chuẩn 4-20mA. Tuy nhiên khi ta nối dây để truyền về PLC hoặc DCS thì tín hiệu này bị suy giảm nghiêm trọng, nó không còn là dạng chuẩn 4-20mA. Tác hại của tín hiệu analog khi bị nhiễu:Mình lấy một ví dụ đơn giản của việc nhiễu tín hiệu 4-20mA của một cảm biến áp suất 0-400bar trong các hệ thống thủy lực chẳng hạn. Nguyên nhân của việc nhiễu tín hiệu analog?Có nhiều nguyên nhân dẫn đến việc nhiễu tín hiệu analog trong nhà máy. Ở đây mình xin lấy ví dụ về việc nhiễu tín hiệu 4-20mA trong nhà máy. Bởi vì có thể nói tín hiệu 4-20mA là loại tín hiệu analog được sử dụng nhiều nhất trong nhà máy.
Xử lý khi tín hiệu 4-20mA bị nhiễu:Có nhiều cách để xử lý khi tín hiệu 4-20mA bị nhiễu. Sau đây mình sẽ hướng dẫn bạn 2 cách để lọc nhiễu tín hiệu analog kinh tế nhất: Tín hiệu (trong chủ đề này) là chỉ tín hiệu điện hoặc điện từ được sử dụng để truyền dữ liệu từ hệ thống hoặc mạng này sang hệ thống hoặc mạng khác. Tín hiệu có chức năng truyền đạt thông tin về một hiện tượng, là sự thay đổi theo thời gian của điện thế hoặc cường độ dòng diện. Mục lục Định nghĩa tín hiệu analog & digitalTín hiệu analog (tín hiệu tương tự) là gì?Tín hiệu Analog là tín hiệu liên tục, đồ thị biểu diễn tín hiệu analog là một đường liên tục (ví dụ sin, cos hoặc đường cong lên xuống bất kỳ). Analog có nghĩa là tương tự, tức là tín hiệu sẽ tương tự về bản chất, nhưng sẽ khác nhau về cường độ tín hiệu lúc sau so với lúc trước. Tín hiệu Analog (tín hiệu tương tự, tín hiệu ngẫu nhiên, tín hiệu liên tục)Một số tín hiệu analog như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, âm thanh, ánh sáng, mức nước, tốc độ, trọng lượng, tần số,… Tín hiệu analog phổ biến được sử dụng cho PLC như: 0-10V, 0-20mA, 4-20mA (10/12/13/14/16 bit), Thermocouple, PT100/NI100/NI120/PT1000/NI1000, .v.v Tín hiệu digital (tín hiệu số) là gì?Tín hiệu digital là tín hiệu số, chỉ bao gồm hai mức cao và thấp (trong máy tính là 0 và 1), tức là không liên tục. Trong điện tử và máy tính, điện thế cao đại diện cho mức 1, thấp cho mức 0, thông thường là 5 vôn và 0 vôn. Nhưng trong bộ vi xử lý hiện nay, mức cao chỉ cỡ 1 vôn, mức thấp là 0 vôn, để tiết kiệm điện. Tín hiệu Digital (tín hiệu số, tín hiệu rời rạc)Một số tín hiệu digital như: nút nhấn, công tắc, cảm biến on-off, công tắc hành trình,.. Tín hiệu digital phổ biến được sử dụng cho PLC như: Relay, Transistor (Sink/Source), PWM, HSC/Shaft-encoder, .v.v Ví dụ về tín hiệu analog & digitalVí dụ về tín hiệu analogVí dụ về tín hiệu analogTruyền video và âm thanh thường được chuyển hoặc ghi lại bằng tín hiệu tương tự. Ví dụ, video tổng hợp phát ra từ giắc cắm RCA cũ là tín hiệu tương tự được mã hóa thường nằm trong khoảng từ 0 đến 1,073V. Những thay đổi nhỏ trong tín hiệu có ảnh hưởng rất lớn đến màu sắc hoặc vị trí của video. Tín hiệu âm thanh thuần túy cũng là tín hiệu tương tự. Tín hiệu phát ra từ micrô có đầy đủ các tần số tương tự và sóng hài, chúng kết hợp với nhau để tạo nên những bản nhạc hay. Ví dụ về tín hiệu digitalVí dụ về tín hiệu digitalKhông phải tất cả các tín hiệu âm thanh và video đều là tín hiệu tương tự. Các tín hiệu chuẩn hóa như HDMI cho video (và âm thanh) và MIDI, I2S hoặc AC’97 cho âm thanh đều được truyền kỹ thuật số. Hầu hết giao tiếp giữa các mạch tích hợp là kỹ thuật số. Các giao diện như nối tiếp, I2C và SPI đều truyền dữ liệu thông qua một chuỗi các sóng vuông được mã hóa. Mạch analog & digitalMạch analogHầu hết các thành phần điện tử cơ bản như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, điốt, bóng bán dẫn và bộ khuếch đại hoạt động – tất cả đều là tương tự. Các mạch được xây dựng với sự kết hợp của các thành phần này thường là mạch tương tự. Các mạch tương tự có thể là những thiết kế rất phức tạp với nhiều thành phần, hoặc chúng có thể rất đơn giản, giống như hai điện trở kết hợp để tạo thành một bộ phân áp. Mặc dù vậy, nói chung, các mạch tương tự khó thiết kế hơn nhiều so với những mạch số mà thực hiện cùng một nhiệm vụ. Cần có một loại thuật sĩ mạch tương tự đặc biệt để thiết kế bộ thu sóng vô tuyến tương tự, hoặc bộ sạc pin tương tự; các thành phần kỹ thuật số tồn tại để làm cho những thiết kế đó đơn giản hơn nhiều. Các mạch tương tự thường dễ bị nhiễu hơn (các biến đổi điện áp nhỏ, không mong muốn). Những thay đổi nhỏ trong mức điện áp của tín hiệu tương tự có thể tạo ra sai số đáng kể khi được xử lý. Mạch digitalCác mạch kỹ thuật số hoạt động bằng cách sử dụng tín hiệu số, rời rạc. Các mạch này thường được làm bằng sự kết hợp của các bóng bán dẫn và cổng logic và ở mức cao hơn là vi điều khiển hoặc các chip tính toán khác. Hầu hết các bộ vi xử lý, cho dù chúng là bộ vi xử lý lớn mạnh mẽ trong máy tính của bạn hay bộ vi điều khiển nhỏ bé, đều hoạt động trong lĩnh vực kỹ thuật số. Các mạch kỹ thuật số thường sử dụng một lược đồ nhị phân cho tín hiệu số. Các hệ thống này ấn định hai điện áp khác nhau làm hai mức logic khác nhau – điện áp cao (thường là 5V, 3,3V hoặc 1,8V) đại diện cho một giá trị và điện áp thấp (thường là 0V) đại diện cho giá trị kia. Mặc dù các mạch kỹ thuật số thường dễ thiết kế hơn, nhưng chúng có xu hướng đắt hơn một chút so với mạch tương tự có thể làm nhiệm vụ tương đương. Sự khác biệt chính giữa analog và digitalTín hiệu tương tự (analog)Tín hiệu số (digital)Tín hiệu liên tục đại diện cho các phép đo vật lýTín hiệu rời rạc (được phân tách) theo thời gian được tạo ra bằng cách sử dụng điều chế kỹ thuật sốBiểu thị bằng sóng hình sinBiểu thị bằng sóng vuôngSử dụng một dải giá trị liên tục để biểu diễn thông tin (không cung cấp bất kỳ phạm vi cố định nào)Sử dụng 0 và 1 rời rạc để biểu diễn thông tin (có số hữu hạn là 0 và 1)Băng thông tín hiệu analog thấpBăng thông tín hiệu digital caoĐưa ra sai số quan sát đáng kể (bị suy giảm do nhiễu trong suốt quá trình truyền cũng như chu kỳ ghi / đọc)Không gây ra bất kỳ loại lỗi quan sát nào (miễn nhiễm nhiễu mà không bị suy giảm trong quá trình truyền và chu kỳ ghi / đọc)Phần cứng analog không bao giờ cung cấp khả năng triển khai linh hoạtPhần cứng digital mang lại sự linh hoạt trong việc triển khaiVí dụ về tín hiệu analog: Cảm biến nhiệt độ, tín hiệu radio FM, tế bào quang điện, cảm biến ánh sáng, màn hình cảm ứng điện trở,..Ví dụ về tín hiệu digital: Máy tính, CD, DVDPhù hợp để truyền âm thanh và hình ảnhPhù hợp với máy tính và điện tử kỹ thuật sốQuá trình xử lý có thể được thực hiện trong thời gian thực và tiêu tốn ít băng thông hơn so với tín hiệu sốKhông đảm bảo rằng quá trình xử lý tín hiệu số có thể được thực hiện trong thời gian thựcƯu – nhược điểm tín hiệu analog & digitalƯu – nhược điểm của tín hiệu tương tựƯu điểm của việc sử dụng tín hiệu tương tự, bao gồm xử lý tín hiệu tương tự (ASP) và truyền thông, bao gồm:
Nhược điểm khi sử dụng tín hiệu tương tự, bao gồm xử lý tín hiệu tương tự (ASP) và truyền thông, bao gồm những điều sau:
Ưu – nhược điểm của tín hiệu sốƯu điểm của việc sử dụng tín hiệu số, bao gồm xử lý tín hiệu số (DSP) và truyền thông:
Những nhược điểm khi sử dụng tín hiệu số, bao gồm xử lý tín hiệu số (DSP) và truyền thông:
Chuyển đổi giữa tín hiệu analog & digitalADC – Analog to Digital ConverterADC là hệ thống mạch thực hiện chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. ADC – Analog to Digital ConverterĐầu vào là tín hiệu tương tự, được xử lý thông qua mạch giữ mẫu (S/H) để tạo ra giá trị gần đúng của tín hiệu số. Biên độ không còn có giá trị vô hạn, và đã được “lượng tử hóa” thành các giá trị rời rạc, tùy thuộc vào độ phân giải của ADC. ADC có độ phân giải cao hơn sẽ có kích thước bước nhỏ hơn và sẽ biểu diễn chính xác hơn tín hiệu tương tự đầu vào. Giai đoạn cuối cùng của ADC mã hóa tín hiệu số hóa thành một dòng bit nhị phân biểu thị biên độ của tín hiệu tương tự. Đầu ra tín hiệu số hiện có thể được xử lý trong miền kỹ thuật số. DAC – Digital to Analog ConverterDAC là hệ thống mạch thực hiện chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự. DAC – Digital to Analog ConverterĐầu vào DAC là một luồng dữ liệu nhị phân từ hệ thống con số và nó xuất ra một giá trị rời rạc, được gần đúng như một tín hiệu tương tự. Khi độ phân giải của DAC tăng lên, tín hiệu đầu ra gần giống với tín hiệu tương tự liên tục và mượt. Thường có một bộ lọc post trong chuỗi tín hiệu tương tự để làm mịn hơn nữa dạng sóng. Nhiều hệ thống được sử dụng ngày nay là “tín hiệu hỗn hợp”, nghĩa là chúng dựa trên cả hệ thống tín hiệu tương tự và tín hiệu số. Từ đó hình thành các yêu cầu dành cho bộ chuyển đổi tín hiệu ADC và DAC để chuyển đổi thông tin giữa hai miền tín hiệu. Trên đây, chúng tôi đã chia sẻ cho các bạn kiến thức tổng quan về tín hiệu tương tự (analog) và tín hiệu số (digital). Hy vọng, những thông tin có trong nội dung bài viết sẽ giúp ích được cho các bạn. Xin cảm ơn! |