[Ôn lại căn bản – P1] Phân biệt tín hiệu số và tín hiệu tương tự

0
91
cover

Xin chào các bạn, với chuỗi bài “Ôn lại căn bản” này, itudong mong muốn cung cấp cho các bạn những kiến thức nền tảng căn bản nhất để có thể bước chân vào ngành điều khiển tự động hóa cũng như làm quen với thế giới công nghiệp rộng lớn. Trong bài này đầu tiên này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu kiến thức vô cùng quan trọng, đó là các loại tín hiệu trong công nghiệp.

Vậy tín hiệu là gì? Tín hiệu là các hình ảnh, âm thanh, hoặc một hiện tượng nào đó mà con người có thể cảm nhận được thông qua các giác quan. Như vậy, đối với máy móc, thiết bị thì các tín hiệu này được nắm bắt như thế nào? Trong các hệ thống điều khiển, tín hiệu được thu thập thông qua các cảm biến, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điện để truyền đi giữa các thiết bị với nhau để cung cấp và truyền đạt thông tin. Tuy các tín hiệu có thể có ý nghĩa khác nhau: nhiệt độ, tốc độ, khối lượng, đóng mở… Nhưng đều chung quy thành 2 loại, đó là tín hiệu số (digital) và tín hiệu tương tự (analog).

1Định nghĩa tín hiệu Digital và Analog

Tín hiệu Digital

Tín hiệu Digital hay còn gọi là tín hiệu số, bản chất là một tín hiệu rời rạc. Tức là tín hiệu không liên tục. Tại một thời điểm, tín hiệu digital chỉ có thể nhận một trong số các giá trị cho trước. Thông thường để đơn giản thì các hệ thống chỉ sử dụng hai giá trị 0 và 1, tương ứng hai mức điện áp/dòng điện khác nhau. Chính vì điều này nên các bạn sẽ bị nhầm lẫn rằng tín hiệu digital chỉ có hai giá trị là 0 và 1. Đây là điều hoàn toàn sai nhé!

Chúng ta cùng xem ví dụ:

tin hieu digitalỞ hình trên, đây là một tín hiệu digital 24 VDC mà các bạn thường thấy trong công nghiệp thực tế. Tín hiệu này có 2 giá trị là mức 0 (tương ứng 0V) và mức 1 (tương ứng 24V). Rõ ràng chúng ta thấy rằng trong quá trình hoạt động, nó chỉ có 2 giá trị là 0V và 24V, không có giá trị nằm giữa nào khác ví dụ 10V, 12V…

Tiếp theo chúng ta cùng xem một tín hiệu digital khác:

tin hieu digital

Ở ví dụ này, giả sử tín hiệu vẫn dùng điệp áp 0-24 VDC. Nhưng nhà sản xuất có chế tạo thêm 2 mức giữa cho thiết bị. Như vậy ngoài 2 giá trị mức 0 (tương ứng 0V) và mức 4 (tương ứng 24V) còn có thêm 2 giá trị nữa là mức 1 (8V) và mức 2 (16V).

Các bạn thấy rằng ở ví dụ vừa rồi, tuy tín hiệu digital này có nhiều hơn 2 giá trị nhưng chỉ nhận được 4 mức giá trị cho trước mà thôi.

Tín hiệu Analog là gì?

Trong tiếng Anh, analog có nghĩa là “tương tự”. Vậy tín hiệu tương tự là thế nào? Nó hoạt động ra sau?

Trước khi vào vấn đề chính, có một điều mình khá trăn trở đó là hầu hết ở các trang web khác, bạn sẽ thấy các kỹ sư VN đang định nghĩa và hiểu sai vấn đề: “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.“. Đây là điều hoàn toàn sai về mặt ý nghĩa của từ analog.

Theo wikipedia định nghĩa tín hiệu analog như sau: “An analog signal is any continuous signal for which the time-varying feature of the signal is a representation of some other time-varying quantity, i.e., analogous to another time-varying signal. For example, in an analog audio signal, the instantaneous voltage of the signal varies continuously with the pressure of the sound waves.”. À, như vậy ý nghĩa của từ “tương tự” mà nền khoa học kỹ thuật đang nhắm tới đó là sao chép tương tự giữa cái này với cái kia. Ví dụ thiết bị đo nhiệt độ bồn nước và chuyển sang tín hiệu điện 4-20mA. Khi nhiệt độ của nước thay đổi thì tín hiệu điện cũng thay đổi tương tự theo.

Như vậy, tín hiệu analog là tín hiệu liên tụctương tự với tín hiệu hiệu đo. Giá trị của tín hiệu analog sẽ thay đổi bằng cường độ tín hiệu (thông qua áp, dòng điện vv…), và ràng buộc trong phạm vi cho phép. Ví dụ: 0…5V, 0…10V, 0…20mA, 4…20mA.

tin hieu analog

Điểm khác nhau giữa tín hiệu digital và tín hiệu analog là tín hiệu analog có thể nhận vô số giá trị giữa 2 giới hạn cho trước. Trong khi tín hiệu digital chỉ có thể nhận được một số giá trị cho trước mà thôi.

Ví dụ công tắc đèn dạng núm vặn thông dụng ở các gia đình hiện nay. Khi các bạn vặn từ từ núm công tắc, độ sáng của đèn sẽ dần dần thay đổi theo. Và có vô số giá trị độ sáng đèn ở giữa 2 trạng thái tắt và mở sáng 100%. Đó là một tín hiệu analog để các bạn dễ hình dung đấy.

Như mình có nói phía trên, các thiết bị analog có thể sử dụng tín hiệu điện áp 0-5VDC, 0-10VDC hoặc tín hiệu bằng dòng điện 0…20mA, 4…20mA. Tuy nhiên, trong công nghiệp, các thiết bị đa số sẽ sử dụng dòng điện 4-20mA để truyền tín hiệu. Tại sao lại sử dụng tín hiệu dạng này và nó có ưu thế gì hơn thì chúng ta sẽ tìm hiểu trong bài sau nhé.

2Tín hiệu Digital và tín hiệu Analog: Ưu điểm và nhược điểm

Tín hiệu Digital và tín hiệu Analog đều có những ưu nhược điểm riêng của nó. Tùy thuộc vào ứng dụng, hiệu suất, phương tiện truyền dẫn, môi trường truyền dẫn… mà người ta sẽ chọn loại tín hiệu tương ứng (hoặc có thể dùng kết hợp cả 2).

Tín hiệu Digital: Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm khi sử dụng tín hiệu số, bao gồm cả truyền thông đó là:

  • Tín hiệu digital ít bị nhiễu, méo
  • Các mạch xử lý tín hiệu số đơn giản và có thể tái sử dụng dễ dàng
  • Xử lý tín hiệu digital linh hoạt hơn nhờ các hệ thống lập trình kỹ thuật số (Ví dụ PLC…).
  • Xử lý tín hiệu digital an toàn hơn bởi vì có thể mã hóa và nén dễ dàng.
  • Các hệ thống dùng digital sẽ chính xác hơn và xác suất xảy ra lỗi thấp hơn bằng cách xử dụng các mã phát hiện và sửa lỗi (ví dụ CRC…).
  • Tín hiệu digital dễ dàng lưu trữ trên các phương tiện lưu trữ dùng từ tính hoặc quang học với chip bán dẫn (HDD, CD, USB…).
  • Tín hiệu digital có thể truyền đi với khoảng cách xa.

Bên cạnh đó, các khuyết điểm của tín hiệu digital có thể kể đến như sau:

  • Tín hiệu digital khi truyền thông cần có băng thông cao hơn khi so sánh với việc truyền tải thông tin analog.
  • Bộ xử lý tín hiệu digital cần phần cứng tốc độ cao và nhiều linh kiện hơn. Do đó sẽ tiêu hao năng lượng nhiều hơn so với xử lý tín hiệu tương tự.
  • Tuy linh hoạt nhưng việc quá trình xử lý các tín hiệu digital thường phức tạp hơn

Tín hiệu Analog: Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm khi sử dụng tín hiệu analog đó là:

  • Xử lý tín hiệu analog dễ dàng hơn
  • Tín hiệu analog phù hợp và diễn đạt thông tin chính xác cao với các thay đổi đại lượng vật lý như là âm thanh, hình ảnh, mức nước, nhiệt độ….
  • Tín hiệu analog có mật độ thông tin cao và có thể diễn đạt thông tin thực chất hơn.
  • Tín hiệu analog sử dụng ít băng thông hơn là tín hiệu digital.

Bên cạnh đó, các khuyết điểm của tín hiệu analog đó là:

  • Dễ bị nhiễu khi truyền tín hiệu ở khoảng cách xa.
  • Tín hiệu analog dễ bị suy hao, đặc biệt tín hiệu dùng điện áp.
  • Tín hiệu analog có thể bị nhiễu và biến dạng, trái ngược với tín hiệu digital có khả năng miễn nhiễm cao hơn nhiều.
  • Tín hiệu analog nói chung là tín hiệu chất lượng thấp hơn tín hiệu digital.

3Tổng kết

Thông qua bài viết, các bạn đã hình dung thế nào là tín hiệu digital, thế nào là tín hiệu analog rồi đúng không. Ở thực tế, các bạn sẽ để ý các trạng thái của tín hiệu và sẽ nhận biết được đó là loại tín hiệu nào nhé:

  • Các tín hiệu on-off, có-không, có số giá trị cố định: là tín hiệu digital
  • Các tín hiệu thể hiện nhiều giá trị khác nhau: tín hiệu tương tự (analog)

Mình áp dụng thử xem nào:

  • H: Tín hiệu bật đèn cảnh báo là loại tín hiệu gì?
  • -> TL: Các bạn thấy là chỉ có 2 trường hợp, tắt đèn hoặc mở đèn. Như vậy tín hiệu này là tín hiệu digital.
  • H: Cảm biến đo mức nước là loại tín hiệu gì?
  • -> TL: Các bạn thấy rằng giá trị mà cảm biến trả về sẽ tương ứng với giá trị mức nước. Và khi nước dâng lên hoặc hạ xuống, sẽ có vô số giá trị tương ứng mức nước trong bồn. Như vậy đây chắc chắn là tín hiệu analog nhé.

analog signal

Sang bài tiếp theo, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu cách truyền tín hiệu analog thông dụng nhất  4-20mA nhé

(itudong.com – Kiến thức điều khiển & Tự động hóa)

BÌNH LUẬN

Please enter your comment!
Please enter your name here