Nói cách khác, một Hệ thống điện tử hoặc mạch phải có khả năng “làm” điều gì đó và Bộ cảm biến và Bộ chuyển đổi là những thành phần hoàn hảo để làm việc này.

Cụm từ “Bộ chuyển đổi” là thuật ngữ chung sử dụng cho cả Bộ cảm biến có thể sử dụng để cảm nhận nhiều dạng năng lượng khác nhau như chuyển động, tín hiệu điện, năng lượng bức xạ, năng lượng nhiệt hoặc từ trường, v.v. và Bộ chuyển đổi có thể sử dụng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện.

Có nhiều loại cảm biến và bộ chuyển đổi khác nhau, cả tương tự và kỹ thuật số và đầu vào và đầu ra có sẵn để lựa chọn. Loại bộ chuyển đổi đầu vào hoặc đầu ra đang sử dụng, thực sự phụ thuộc vào loại tín hiệu hoặc quá trình được “Cảm biến” hoặc “Điều khiển” , nhưng chúng ta có thể xác định cảm biến và bộ chuyển đổi là thiết bị chuyển đổi một đại lượng vật lý này thành một đại lượng vật lý khác.

Các thiết bị thực hiện chức năng “Đầu vào” thường gọi là Cảm biến vì chúng “cảm nhận” một sự thay đổi vật lý trong một số đặc tính thay đổi để phản ứng với một số kích thích, ví dụ như nhiệt hoặc lực và ẩn đó thành tín hiệu điện. Các thiết bị thực hiện chức năng “Đầu ra” thường gọi là bộ chuyển đổi và sử dụng để điều khiển một số thiết bị bên ngoài, ví dụ như chuyển động hoặc âm thanh.

Bộ chuyển đổi điện sử dụng để chuyển đổi năng lượng của một loại này thành năng lượng của một loại khác, vì vậy, ví dụ: micrô (thiết bị đầu vào) chuyển đổi sóng âm thanh thành tín hiệu điện để bộ khuếch đại khuếch đại (một quá trình) và loa (thiết bị đầu ra) chuyển đổi các tín hiệu điện này trở lại thành sóng âm thanh và một ví dụ về loại hệ thống Đầu vào / Đầu ra (I / O) đơn giản này đưa ở dưới đây.

Hệ thống đầu vào / đầu ra đơn giản sử dụng bộ chuyển đổi âm thanh

Có nhiều loại cảm biến và bộ chuyển đổi khác nhau có sẵn trên thị trường và việc lựa chọn loại nào để sử dụng thực sự phụ thuộc vào số lượng được đo hoặc kiểm soát, với các loại phổ biến hơn  đưa ra trong bảng dưới đây:

Cảm biến và bộ chuyển đổi thông thường

Bộ chuyển đổi hoặc cảm biến loại đầu vào, tạo phản ứng đầu ra điện áp hoặc tín hiệu tỷ lệ với sự thay đổi đại lượng mà chúng đang đo (kích thích). Loại hoặc lượng tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào loại cảm biến được sử dụng. Nhưng nhìn chung, tất cả các loại cảm biến có thể  phân loại thành hai loại, Cảm biến thụ động hoặc Cảm biến tích cực .

Nói chung, cảm biến tích cực yêu cầu một nguồn điện bên ngoài để hoạt động, gọi là tín hiệu kích thích được cảm biến sử dụng để tạo tín hiệu đầu ra. Cảm biến tích cực là thiết bị tự tạo ra do các đặc tính riêng của chúng thay đổi để đáp ứng với tác động bên ngoài tạo ra, ví dụ, điện áp đầu ra từ 1 đến 10v DC hoặc dòng điện đầu ra như 4 đến 20mA DC. Cảm biến tích cực cũng có thể tạo ra sự khuếch đại tín hiệu.

Một ví dụ điển hình về cảm biến tích cực là cảm biến LVDT hoặc máy đo biến dạng. Đồng hồ đo biến dạng là mạng cầu điện trở nhạy áp được phân cực bên ngoài (tín hiệu kích thích) theo cách để tạo điện áp đầu ra tương ứng với lực hoặc biến dạng đặt vào cảm biến.

Không giống như cảm biến tích cực, cảm biến thụ động không cần bất kỳ nguồn điện bổ sung hoặc điện áp kích thích nào. Thay vào đó, một cảm biến thụ động tạo một tín hiệu đầu ra để đáp ứng với một số kích thích bên ngoài. Ví dụ, một cặp nhiệt điện tạo điện áp đầu ra của riêng nó khi tiếp xúc với nhiệt. Sau đó, cảm biến thụ động là cảm biến trực tiếp thay đổi các đặc tính vật lý của chúng, chẳng hạn như điện trở, điện dung hoặc điện cảm, v.v.

Nhưng cũng như cảm biến tương tự, Cảm biến kỹ thuật số tạo một đầu ra rời rạc đại diện cho một số hoặc chữ số nhị phân, chẳng hạn như mức logic “0” hoặc mức logic “1”.

Cảm biến tương tự và kỹ thuật số

Cảm biến tương tự

Cảm biến tương tự tạo tín hiệu đầu ra liên tục hoặc điện áp thường tỷ lệ với đại lượng đo. Các đại lượng vật lý như Nhiệt độ, Tốc độ, Áp suất, Độ dịch chuyển, Độ căng, v.v. đều là các đại lượng tương tự vì chúng có xu hướng liên tục trong tự nhiên. Ví dụ, nhiệt độ của chất lỏng có thể đo bằng nhiệt kế hoặc cặp nhiệt điện liên tục phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ khi chất lỏng nóng lên hoặc nguội đi.

Cặp nhiệt điện sử dụng để tạo tín hiệu tương tự

Cảm biến tương tự có xu hướng tạo các tín hiệu đầu ra thay đổi trơn tru và liên tục theo thời gian. Các tín hiệu này có xu hướng có giá trị rất nhỏ từ vài mico-volt (uV) đến vài mili-volt (mV), vì vậy cần phải có một số hình thức khuếch đại.

Các mạch đo tín hiệu tương tự thường phản hồi chậm hoặc độ chính xác thấp. Ngoài ra, tín hiệu tương tự dễ dàng được chuyển đổi thành tín hiệu loại kỹ thuật số để sử dụng trong các hệ thống vi điều khiển bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số hoặc ADC.

Cảm biến kỹ thuật số – Cảm biến và bộ chuyển đổi

Như tên gọi của nó, Cảm biến kỹ thuật số tạo tín hiệu hoặc điện áp đầu ra kỹ thuật số rời rạc, là một biểu diễn kỹ thuật số của đại lượng được đo. Cảm biến kỹ thuật số tạo tín hiệu đầu ra Nhị phân ở dạng logic “1” hoặc logic “0”, (“BẬT” hoặc “TẮT”). Điều này nghĩa là tín hiệu kỹ thuật số chỉ tạo các giá trị rời rạc (không liên tục) được xuất ra dưới dạng một “bit” duy nhất, (truyền nối tiếp) hoặc bằng cách kết hợp các bit để tạo một đầu ra “byte” duy nhất (truyền song song).

Cảm biến ánh sáng được sử dụng để tạo tín hiệu kỹ thuật số

Trong ví dụ đơn giản của chúng tôi ở trên, tốc độ của trục quay được đo bằng cách sử dụng cảm biến LED / Opto-detector kỹ thuật số. Đĩa quay được cố định vào trục quay (ví dụ, từ bánh xe của động cơ hoặc rô bốt), có một số khe hở trong thiết kế của nó. Khi đĩa quay theo tốc độ của trục, mỗi khe đi qua cảm biến lần lượt tạo một xung đầu ra đại diện cho mức logic “1” hoặc logic “0”.

Các xung này được gửi đến một thanh ghi của bộ đếm và cuối cùng đến một màn hình đầu ra để hiển thị tốc độ hoặc số vòng quay của trục. Bằng cách tăng số lượng khe hoặc “cửa sổ” trong đĩa quay, để tạo nhiều xung đầu ra hơn cho mỗi vòng quay của trục. Ưu điểm của điều này là đạt được độ phân giải và độ chính xác cao hơn vì phát hiện được các phần nhỏ của một vòng quay. Sau đó, kiểu bố trí cảm biến này cũng được sử dụng để điều khiển vị trí với một trong các khe đĩa thể hiện vị trí tham chiếu.

So với tín hiệu tương tự, tín hiệu hoặc đại lượng kỹ thuật số có độ chính xác rất cao và  được đo và “lấy mẫu” ở tốc độ đồng hồ rất cao. Độ chính xác của tín hiệu kỹ thuật số tỷ lệ với số bit được sử dụng để biểu diễn đại lượng đo. Ví dụ, sử dụng bộ xử lý 8 bit, sẽ tạo độ chính xác là 0,390% (1 phần trong 256). Trong khi sử dụng bộ xử lý 16 bit cho độ chính xác là 0,0015%, (1 phần trong 65,536) và chính xác hơn 260 lần. Độ chính xác này được duy trì vì các đại lượng kỹ thuật số được thao tác và xử lý rất nhanh, nhanh hơn hàng triệu lần so với tín hiệu tương tự.

Trong hầu hết các trường hợp, cảm biến và cụ thể hơn là cảm biến tương tự thường yêu cầu nguồn điện bên ngoài và một số hình thức khuếch đạ lọc tín hiệu bổ sung để tạo tín hiệu điện phù hợp với khả năng đo và sử dụng. Một cách rất tốt để đạt được cả khuếch đại và lọc trong một mạch duy nhất là sử dụng Bộ khuếch đại thuật toán như đã thấy trước đây.

Điều hòa tín hiệu của cảm biến và bộ chuyển đổi

Như chúng ta đã thấy trong hướng dẫn Bộ khuếch đại thuật toán, op-amps được sử dụng để khuếch đại tín hiệu khi được kết nối trong các cấu hình đảo ngược , không đảo.

Các điện áp tín hiệu tương tự rất nhỏ được tạo bởi một cảm biến như vài mili-vôn thậm chí là pico-volt có thể được khuếch đại nhiều lần bằng một mạch op-amp đơn giản để tạo tín hiệu điện áp lớn hơn nhiều, ví dụ như 5v , 5mA mà sau đó có thể được sử dụng làm tín hiệu đầu vào cho bộ vi xử lý hoặc hệ thống dựa trên kỹ thuật số – tương tự.

Do đó, để cung cấp bất kỳ tín hiệu hữu ích nào, tín hiệu đầu ra của cảm biến phải được khuếch đại bằng bộ khuếch đại có độ lợi điện áp lên đến 10.000 và độ tăng dòng điện lên đến 1.000.000 với độ khuếch đại của tín hiệu là tuyến tính với tín hiệu đầu ra là sự tái tạo chính xác của đầu vào, chỉ thay đổi về biên độ.

Sau đó, khuếch đại là một phần của điều hòa tín hiệu. Vì vậy, khi sử dụng cảm biến tương tự, thông thường một số hình thức khuếch đại (Gain), kết hợp trở kháng, cách ly giữa đầu vào và đầu ra hoặc có thể là lọc (lựa chọn tần số) có thể được yêu cầu trước khi tín hiệu có thể được sử dụng và điều này được thực hiện thuận tiện bởi Bộ khuếch đại thuật toán .

Ngoài ra, khi đo những thay đổi vật lý rất nhỏ, tín hiệu đầu ra của cảm biến có thể bị “nhiễm bẩn” với các tín hiệu, điện áp không mong muốn khiến tín hiệu thực tế yêu cầu không được đo chính xác. Những tín hiệu không mong muốn này được gọi là ” Nhiễu “. Nhiễu có thể được giảm thiểu đáng kể thậm chí loại bỏ bằng cách sử dụng các kỹ thuật lọc , điều hòa tín hiệu như chúng ta đã thảo luận trong hướng dẫn Bộ lọc Chủ động.

Bằng cách sử dụng bộ lọc Low Pass , High Pass , Band Pass , “băng thông” của nhiễu có thể được giảm xuống để chỉ còn lại tín hiệu đầu ra cần thiết. Ví dụ, nhiều loại đầu vào từ công tắc, bàn phím hoặc điều khiển bằng tay không có khả năng thay đổi trạng thái nhanh chóng và vì vậy có thể sử dụng bộ lọc thông thấp. Khi nhiễu ở một tần số cụ thể, ví dụ như tần số nguồn, có thể sử dụng bộ lọc loại bỏ dải hẹp hoặc bộ lọc Notch để tạo các bộ lọc chọn lọc tần số.

Bộ lọc Op-amp điển hình – Cảm biến và bộ chuyển đổi

Nếu một số nhiễu ngẫu nhiên vẫn còn sau khi lọc, có thể cần phải lấy một số mẫu và sau đó lấy trung bình chúng để đưa đến giá trị cuối cùng, do đó, tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Dù bằng cách nào, cả khuếch đại và lọc đều đóng một vai trò quan trọng trong việc giao tiếp giữa cảm biến và đầu dò với hệ thống dựa trên bộ vi xử lý và điện tử trong điều kiện “thế giới thực”.

Trong hướng dẫn tiếp theo về Cảm biến, chúng ta sẽ xem xét Cảm biến vị trí đo vị trí và sự dịch chuyển của các đối tượng vật lý có nghĩa là chuyển động từ vị trí này sang vị trí khác cho một khoảng cách hoặc góc cụ thể.