Nội Dung Bài Viết
Trong nhiều trường hợp, để đảm bảo cảm biến hoạt động ổn định, tin cậy, ta cần một bộ đệm nối giữa tín hiệu analog từ cảm biến với đầu vào ADC của vi điều khiển. Ngoài ra, chúng ta cũng cần cách ly tín hiệu, để đảm bảo cho các thiết bị không can nhiễu với nhau.
Tại sao lại cần bộ đệm cho tín hiệu analog?
Để hiểu được vấn đề này, trước hết, chúng ta cần xem xét vấn đề truyền tải và đọc giá trị tín hiệu ở analog, mà thông thường là đọc điện áp của tín hiệu.
Theo hình vẽ, chúng ta thấy tín hiệu “V SIGN” xuất phát từ cảm biến, có dạng tín hiệu analog, truyền qua dây dẫn tới bộ đọc ADC của MCU, tại đây, ta thu được điện áp MCU. Chúng ta có thể thấy, điện áp thu được V ADC sẽ luôn nhỏ hơn V SIGN, vì bản thân bộ chuyển đổi ADC luôn tồn tại trở kháng nội. Mặt khác, đối với tín hiệu analog thu được, nó thường có công suất rất bé, hay nói cách khác, dòng tải trên tín hiệu từ cảm biến rất nhỏ. Bởi vậy, tín hiệu sẽ bị hao phí rất lớn nếu trở kháng của bộ ADC thấp. Trong trường hợp trở kháng quá nhỏ, công suất tiêu thụ tại MCU sẽ vượt quá khả năng của cảm biến, khiến mất tín hiệu, hoặc tín hiệu chập chờn, thiếu ổn định (vì cảm biến liên tục bị quá tải). Để giải quyết vấn đề trở kháng thấp, khiến dòng tải lớn vượt quá khả năng cung cấp của cảm biến, chúng ta có thể tăng trở kháng dây dẫn.
Với một vài công thức tính toán đơn giản, ta có thể thấy: Dòng tiêu thụ sẽ phụ thuộc vào trở kháng dây dẫn và trở kháng nội của bộ đọc ADC. Tổng trở này càng lớn, dòng tiêu thụ càng nhỏ. Điều này đồng nghĩa với việc giảm tải đầu ra cho cảm biến, tránh làm mất, nhiễu tín hiệu analog quý giá từ cảm biến. Vấn đề là, trở kháng dây dẫn càng lớn, điện áp tín hiệu thu được tại bộ ADC sẽ càng nhỏ, nó gây khó khăn lớn cho việc đọc giá trị điện áp tín hiệu. Điện áp càng nhỏ, càng khó đọc. Vậy, chúng ta chỉ có thể thay đổi trở kháng nội của bộ ADC mcu.
Chúng ta gặp một vấn đề, nội trở của MCU là không thể thay đổi. Vì vậy, nếu muốn tăng độ ổn định và tăng chất lượng, ta cần một bộ khuếch đại công suất tín hiệu. Giống như việc sử dụng amply để khuếch đại tín hiệu vậy. Tuy nhiên, đối với các hệ thống đã lắp đặt sẵn, việc khuếch đại tín hiệu sẽ khiến chúng ta phải thay đổi code và nhiều phần khác nữa. Bởi vậy, bộ khuếch đại này phải khuếch đại được công suất của tín hiệu, nhưng không làm thay đổi điện áp và các đặc tính khác của tín hiệu.
Bộ đệm Opamp – Giải pháp cho toàn bộ vấn đề
Chúng ta có thể thấy, sơ đồ bên trên chỉ sử dụng một Opam đơn giản. Vậy, nó có đủ đáp ứng yêu cầu?
Dĩ nhiên rồi, bạn chỉ cần một con Opam có thông số phù hợp với tín hiệu, sau đó đấu nối theo sơ đồ trên, ta sẽ có một mạch khuếch đại có hệ số bằng 1. NHẮC LẠI LÀ BẰNG 1. What????? đùa à, hệ số khuếch đại bằng 1 thì làm cái “beep” gì ????? Không, chúng ta không nhầm. Hệ số bằng 1 giúp các bạn giữ nguyên được đặc tính của tín hiệu. Tuy nhiên, lợi dụng ưu điểm của Opam, mạch đệm này cho ta đầu vào Vin có trở kháng rất lớn, điều này khiến cho dòng tải tín hiệu nhỏ, tín hiệu ít suy hao. Cùng lúc, chúng ta có đầu ra tín hiệu có trở kháng rất nhỏ, hay nói cách khác, đầu ra Vout giữ nguyên đặc tính của tín hiệu, trong khi công suất tín hiệu tăng lên rất nhiều, khiến suy hao nhỏ, bộ ADC của MCU cũng có được một tín hiệu sạch và rõ ràng, ít nhiễu.
Ứng dụng của bộ đệm Opamp
Trong các thiết bị công nghiệp, bộ đệm được sử dụng để chống nhiễu và giảm tải cho cảm biến. Đồng thời tín hiệu vào thông qua Opam, có trở kháng vào lớn, giảm thiểu thiệt hại cho bo mạch.
Bộ đệm opam cho tín hiệu analog
Nguồn: Obit team
Các bạn có thể truy cập xem bài gốc tại đây.
Bài viết các bạn có thể tham khảo:
- Thêm bộ đệm cho giao tiếp I2C
- Hiệu ứng hall là gì? Cách cảm biến hall hoạt động?
- Tìm hiểu IC cảm biến dòng ACS712 và ứng dụng