Động lực để phát triển bộ lọc chống răng cưa trong một hệ thống đo lường công nghiệp

Trong các hệ thống đo lường công nghiệp, để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, độ rung và nhiều đại lượng vật lý khác, người ta thường sử dụng các cảm biến. Tuy nhiên, các tín hiệu đầu ra được đo thông qua cảm biến không phải lúc nào cũng sạch. Một số yếu tố có thể làm sai lệch tín hiệu đo bao gồm nhiễu điện từ từ động cơ, biến tần, nguồn chuyển mạch và các thiết bị đóng cắt, điều này đặc biệt xảy ra khi các cảm biến được kết nối bằng dây dẫn dài trong môi trường công nghiệp.

Hệ thống thường sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang số (Analog-to-Digital Converter hay ADC) để chuyển tín hiệu tương tự từ cảm biến thành dữ liệu số.Trong đó, thanh ghi xấp xỉ liên tiếp (Successive Approximation Register hay SAR) và Delta-Sigma là hai kiến trúc ADC phổ biến nhất. Mỗi kiến trúc lại có những đặc điểm riêng, bao gồm tốc độ chuyển đổi, độ phân giải, khả năng xử lý nhiễu và yêu cầu về thiết kế mạch đầu vào. Trong các yếu tố trên, bộ lọc chống răng cưa (antialiasing filter) là một yếu tố quan trọng nhưng thường bị bỏ qua. Bộ lọc này giúp giảm nguy cơ các thành phần ngoài dải đo xuất hiện dưới dạng tín hiệu sai lệch trong dữ liệu số nhờ chúng hạn chế được các thành phần tín hiệu có tần số cao trước khi chúng đi vào ADC. Cách thiết kế bộ lọc chống răng cửa của cả ADC SAR và Delta-Sigma có những điểm khác biệt đáng chú ý dù cả hai kiến trúc này đều có thể được sử dụng để đo tín hiệu cảm biến công nghiệp

Hiện tượng răng cưa và vai trò của bộ lọc đầu vào

Hệ thống chỉ ghi nhận giá trị tín hiệu tại những thời điểm xác định khi ADC lấy mẫu một tín hiệu tương tự. Theo nguyên lý lấy mẫu, để có thể tái tạo tín hiệu mà không xuất hiện hiện tượng răng cưa thì tần số lấy mẫu phải đủ cao so với băng thông của tín hiệu cần đo. Trong đó, tần số lấy mẫu có giá trị gấp đôi tần số Nyquist. Trong dữ liệu số, những thành phần tín hiệu có tần số vượt quá giới hạn tần số Nyquist có thể bị biểu diễn sai thành các thành phần có tần số thấp hơn. Chính vì vậy, hiện tượng răng cưa có thể khiến hệ thống đo lường ghi nhận những biến động không tồn tại trong tín hiệu thực.

Cụ thể, đối với một cảm biến rung cần đo tín hiệu trong dải tần từ 0 đến 500 Hz. Giới hạn Nyquist là 500 Hz khi hệ thống lấy mẫu ở tần số 1 kHz. Vì vậy, một thành phần nhiều ở tần số cao hơn hơn giới hạn này sẽ làm sai lệch kết quả khi chúng phản chiếu vào kết quả đo. Nhiễu có thể xuất hiện ở tần số cao hơn nhiều so với tín hiệu cần đo trong môi trường công nghiệp. Việc xử lý sự cố sau ADC không thể khôi phục hoàn toàn thông tin ban đầu đã bị sai lệch nếu như những thành phần nhiễu không được hạn chế trước khi lấy mẫu.

Để suy giảm các thành phần ngoài băng thông cần thiết, bộ lọc chống răng cưa thường được đặt giữa cảm biến và ADC. Trong nhiều thiết kế, vì tín hiệu đo thường tập trung ở tần số thấp hơn nhiễu đóng cắt và nhiễu điện từ nên bộ lọc thông thấp được sử dụng. Tuy nhiên, thiết kế cần cân nhắc băng thông tín hiệu, tần số lấy mẫu, mức suy giảm mong muốn và ảnh hưởng của bộ lọc đến tín hiệu hữu ích do bộ lọc không thể loại bỏ mọi loại nhiễu.

Tốc độ cao và yêu cầu đối với bộ lọc tương tự trong ADC SAR

Nguyên lý hoạt động

Theo nguyên lý hoạt động, ADC SAR thông qua một chuỗi bước so sánh để thực hiện chuyển đổi bằng cách xác định giá trị số tương ứng với điện áp đầu vào. Để tìm giá trị gần đúng của tín hiệu đầu vào thì mạch bên trong thường sử dụng bộ so sánh, thanh ghi điều khiển và mạng tụ điện hay bộ chuyển đổi số sang tương tự. Trong đó, thời gian chuyển đổi ngắn, độ trễ thấp và khả năng lấy mẫu với tốc độ cao là những ưu điểm của kiến trúc này. Vì vậy, các hệ thống điều khiển công nghiệp, thiết bị đo lường đa kênh và các ứng dụng cần phản hồi nhanh thường sử dụng ADC SAR. Tuy nhiên, ADC SAR thường yêu cầu tín hiệu đầu vào ổn định trong khoảng thời gian lấy mẫu và giữ mẫu. Khi tụ điện lấy mẫu được kết nối với đầu vào, thì mạch lấy mẫu bên trong có thể tạo ra các xung dòng điện ngắn. Điện áp tại đầu vào có thể chưa ổn định khi quá trình chuyển đổi bắt đầu nếu nguồn tín hiệu có trở kháng quá cao hoặc bộ khuếch đại không đáp ứng đủ nhanh.

Độ phân giải cao và lợi thế của lấy mẫu vượt mức trong ADC Delta-Sigma

Nguyên lý hoạt động đối với ADC Delta-Sigma

So với SAR, ADC Delta-Sigma sử dụng một cấu trúc chuyển đổi khác, chúng sử dụng bộ điều chế Delta-Sigma để lấy mẫu ở tốc độ cao, đồng thời kết hợp với kỹ thuật định hình nhiễu và bộ lọc số nhằm tạo ra dữ liệu đầu ra có độ phân giải cao thay vì xác định giá trị đầu vào bằng một chuỗi bước so sánh độc lập cho mỗi mẫu. Trong đó, lấy mẫu vượt mức (oversampling) là một trong những đặc điểm quan trọng của ADC Delta-Sigma. So với băng thông tín hiệu cần đo, bộ điều chế hoạt động ở tần số cao hơn một cách đáng kể. Phần lớn nhiễu lượng tử hóa được đẩy ra ngoài dải tần hữu ích với kỹ thuật định hình nhiễu, sau đó bộ lọc số và quá trình giảm tốc độ lấy mẫu sẽ loại bỏ phần lớn nhiễu này. ADC Delta-Sigma thường phù hợp với các ứng dụng đo lường chính xác như cảm biến nhiệt độ, áp suất, khối lượng và các hệ thống thu thập dữ liệu có băng thông thấp. Tuy nhiên, việc lấy mẫu vượt mức và việc ADC có thể loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng bộ lọc chống rang cưa không đồng nghĩa với nhau. Các vấn đề trước khi được xử lý bằng bộ lọc số bao gồm hiện tượng bão hòa mạch đầu vào, méo phi tuyến hay răng cưa liên quan đến quá trình lấy mẫu bên trong thường do các thành phần nhiễu mạnh ở đầu vào gây ra.