Bài giảng Hệ thống máy tính công nghiệp - Chương 3: Das Data Acquisition Systems

8/26/2012
1
Ch3 - DAS 1
Ch. 3 DAS
DATA ACQUISITION SYSTEMS
• DAS overview
• Measurement, sensors, transducers
• Conditioners, các bộ chuẩn hóa tín hiệu
• MUX, S&H, ADCs
• Microcontrollers and Data Processing
• Database
• Case studies: monitoring systems
Ch3 - DAS 2
3.1. DAS Overview
• Define:
– Data Acquisition System: The system for acquiring 
data (status, metric information) from industrial 
processes (or environment) then update to 
database, one of importance part of a SCADA, 
DCS
– The collection of sensors and communication links 
to sample or collect and then return data to a 
central location for further processing, display, or 
archiving.
• Structure: next
8/26/2012
2
Ch3 - DAS 3
3.1. DAS Overview
Ch3 - DAS 4
• Student’s define for structure:
– Object:
– Sensor:
– Conditioner: WorkBench, LabView
– MUX:
– S&H:
– ADC: 
– Embedded System
– Computer Desktop: database and networking
3.1. DAS Overview
8/26/2012
3
Ch3 - DAS 5
• Operate:
– Process
– Sensor
– Conditioner
– MUX
– S&H and ADC
– ES
– Database system
3.1. DAS Overview
Ch3 - DAS 6
• Classification:
– The number of data elements/points, 
– Distance/wide area
– Rate of signal
– Address of application and type of information:
• Industrial fields: level, flow, temperature, pressure, in 
cement, paper, textile, steel mill, mechanical factories
• Civil engineering: dams, bridges, underground/ under-
water constructions, high building => constructions 
supervision system
• Environmental supervision system
3.1. DAS Overview
8/26/2012
4
Ch3 - DAS 7
• Transportation: Vehicles, ship, aero plane: velocity, 
accelerate, gasoline ratio, safety equipment, 
Navigation; Traffic signals
• Bio-medicine: Cardiograph, Monitoring, smart garden 
and growth
• Defense: DGPS, 
• Entertainment: 
• Smart house: temperature, lighting, air conditioning 
(heating/ freezing), plant watering, auto-answering, 
smart cooking iBMS
3.1. DAS Overview
Ch3 - DAS 8
• Questions and Answers
• Student’s examples
3.1. DAS Overview
8/26/2012
5
Ch3 - DAS 9
3.2 Measurement
• Sensor Defines:
– Là thiết bị nhận các tín hiệu vật lý từ thế giới thật (nhiệt, ás, 
âm thanh, áp suất), tạo ra các tín hiệu điện tương ứng. 
(A device that responds to a physical stimulus in real world (heat, light, sound, pressure, motion, flow,
and so on), and produces a corresponding electrical signal)
– Là một phần của thiết bị đo, nó đáp ứng trực tiếp ứng với 
sự thay đổi của môi trường (The part of a measuring instrument which responds 
directly to changes in the environment)
• Transducers are ENERGY CONVERTERS or 
MODIFIERS
– Là thiết bị thay đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác 
(A device for converting energy from one form to another)
– For example, a thermocouple transduces heat energy into 
electrical energy
• (Tuy nhiên trong thực tế thường hay coi là 1) 
Ch3 - DAS 10
• Transducers, sensors và phép đo
• Calibration, interfering và thay đổi tín hiệu vào
• Static sensor characteristics
• Dynamic sensor characteristics
3.2.1. Sensor characteristics
8/26/2012
6
Ch3 - DAS 11
Measurement:
Ch3 - DAS 12
• Mô hình đo lường đơn giản:
– Giá trị quan sát được X đọc được từ đối tượng đo
• X liên hệ với phép đo trong một số phương pháp đã biết (i.e., 
measuring mass)
– Sensor phát ra tín hiệu thay đổi và được xử lý theo nhiều 
kiểu, truyền dẫn hoặc hiển thị
– Trong ví dụ trên, tín hiệu đo được đưa qua bộ hiển thị và 
đưa đến thiết bị đo.
• Phép đo (Measurement)
– Là quá trình so sánh đại lượng chưa biết với giá trị chuẩn có 
cùng đơn vị (đo độ dài, khoảng cách) hoặc giá trị chuẩn của 
nhiều các đại lượng liên quan (đo vận tốc, gia tốc)
Measurements:
8/26/2012
7
Ch3 - DAS 13
• Là quan hệ giữa đại 
lượng đo vật lý (X) và giá 
trị tín hiệu (S)
• Sensor hoặc thiết bị đo 
được khắc độ bởi việc thu 
thập các tín hiệu đã biết.
Khắc độ (Calibration)
Ch3 - DAS 14
Additional inputs
• Nhiễu đầu vào (Y)
– Nhiễu tác động vào sensor 
sẽ tạo ra sự xếp chồng 
tuyến tính với giá trị đo X
– Xếp chống tuyến tính là: 
S(aX+bY)=aS(X)+bS(Y)
• Modifying inputs (Z)
– Là việc thay đổi hành vi 
của sensor => thay đổi đặc 
tính.
– Ví dụ nhiệt độ là 1 tín hiệu 
vào thường thay đổi 
8/26/2012
8
Ch3 - DAS 15
Sensor Characteristics
• Đặc tính tĩnh: (Static characteristics)
– Các thuộc tính của hệ thống sau các hiệu ứng quá độ sẽ ổn định với các 
đặc tính tĩnh:
• Accuracy
• Discrimination - độ phân biệt hay còn gọi độ phân ly
• Precision
• Errors
• Drift
• Sensitivity
• Linearity
• Hysteretic
• Dynamic characteristics
– The properties of the system transient response to an input
• Zero order systems
• First order systems
• Second order systems
Ch3 - DAS 16
Accuracy, discrimination and precision
• Accuracy is the capacity of a measuring instrument to give 
RESULTS close to the TRUE VALUE of the measured 
quantity
– Độ chính xác (accuracy) được xác định bằng độ lệch của 1 tập các phép 
đo so với giá trị thực
– Độ chính xác/sai số được thể hiện giá trị tuyệt đối và tương đối
ABSOLUTE ERROR = RESULT – TRUE VALUE
RELATIVE ERROR = ABS ERROR/TRUE VALUE (%)
• Resolution (Discrimination) is the minimal change of the 
input necessary to produce a detectable change at the 
output
– Độ phân ly: DISCRIMINATION hay RESOLUTION
– When the in/discrimination is from zero, it is called THRESHOLD 
(ngưỡng)
8/26/2012
9
Ch3 - DAS 17
Precision (độ lặp lại)
• Là khả năng của thiết bị cho ra cùng 1 giá trị khi lặp 
lại phép đo cùng 1 đại lượng trong cùng 1 điều kiện:
– Độ lặp lại được hiểu là sự nhất quán giữa các lần đo liên 
tiếp cùng 1 đại lượng, nó không nói lên giá trị đó gần với 
giá trị thực. 
– Precision là điều cần chứ không là điều kiển đủ để đánh giá 
độ chính xác
• 2 thuật ngữ liên quan mật thiết đến precision
– Repeatability: Độ lặp lại của 1 tập các phép đo trong 1 thời 
gian ngắn
– Reproducibility: là độ lặp lại của 1 tập các phép đo nhưng: 
• được thực hiện trong khoảng thời gian dài, hoặc
• do các người khác nhau thực hiện hoặc 
• dùng các dụng cụ đo khác nhau hoặc 
• trong các phòng thí nghiệm khác nhau
Ch3 - DAS 18
Example
• Phóng tiêu (DART)
– Độ phân ly
– Kích thước của vùng được tạo bởi phi tiêu
– Which shooter is more accurate?
– Which shooter is more precise?
8/26/2012
10
Ch3 - DAS 19
Accuracy and errors
• Sai số hệ thống: (Systematic Errors)
– Là nguyên nhân từ nhiều yếu tố khác nhau
– Do các đại lượng khác can thiệp vào hoặc các sự biến đổi 
khác (i.e., temperature)
– Trôi mạch điện tử, các kết cấu cơ, hóa (i.e., changes in 
chemical structure or mechanical stresses)
– Quá trình đo làm thay đổi đối tượng đo. (i.e., loading 
errors, electro-mechanic Voltmeter)
– Khi truyền dẫn làm thay đổi tín hiệu (i.e., suy giảm, méo)
– Sai số chủ quan (i.e., quan sai: sai do mắt nhìn, quan niệm 
của mỗi người)
– Sai số hệ hệ thống có thể được bù trừ bằng các phương 
pháp khác nhau (như phản hồi, lọc)
Ch3 - DAS 20
• Sai số ngẫu nhiên:
– Còn được gọi là nhiễu: tín hiệu không chứa thông tin đo
– Sai số ngẫu nhiên thực sự (ồn trắng - white noise) có phân 
bố Gauss
– Nguồn nhiễu ngẫu nhiên:
• Độ lặp lại của chính đối tượng đo (i.e., height of a rough surface)
• Nhiễu môi trường (i.e., background noise picked by a microphone)
• Nhiễu đường truyền (i.e., 60Hz)
– Tỷ số tín hiệu/nhiễu nhỏ. Thường thì SNR phải >>1
– Khi biết đặc tính của tín hiệu thì có thể tách ra khỏi nền 
nhiễu với điều kiện SNR>>1 (i.e., understanding speech in a 
loud environment)
Accuracy and errors:
8/26/2012
11
Ch3 - DAS 21
Example: systematic and random errors
Ch3 - DAS 22
Các đặc tính tĩnh khác:
• Input range:
– The maximum and minimum value of the physical variable that can be 
measured (i.e., -40F/100F in a thermometer)
– Output range can be defined similarly
• Độ nhạy (Sensitivity)
– Độ dốc của đường đặc tính y=f(x)
• 1 sensor lý tưởng sẽ có độ nhạy lớn và ổn định
– Sai số liên quan đến độ nhạy: bão hòa và vùng chết
• Độ tuyến tính: Linearity
– Là sự gần đúng của đặc tính thực so với đường thẳng mẫu (i.e., đặc tính 
lý thuyết khớp với giá trị bình phương cực tiểu)
• Tính đơn điệu (Monotonicity)
– Đặc tính của sensor cần phải đơn điệu
• Trễ của đặc tính: Hysteretic
– Giá trị ra khác nhau khi giá trị vào giống nhau nhưng ở 2 chiều tăng và 
giảm (i.e., magnetization in ferromagnetic materials)
• Backslash: hystheresis caused by looseness in a mechanical joint
8/26/2012
12
Ch3 - DAS 23
Dynamic characteristics
• Đáp ứng của sensor khi đại lượng vào biến thiên khác 
với đại lượng vào ổn định
• Là do có các phần tử kho năng lượng
– Quán tính (Inertial): masses, inductances
– Capacitances: electrical, thermal
• Đặc tính động được xác định bởi việc phân tích các 
đáp ứng của sensor với một họ các đại lượng vào 
khác nhau về dạng sóng
– Impulse, step, ramp, sinusoidal, white noise
Ch3 - DAS 24
Các mô hình động (Dynamic models)
• Đáp ứng động của sensor (typically) được 
coi như tuyến tính 
– Như vậy, có thể mô hình hóa bởi phương trình vp 
tuyến tính hệ số hằng
- Thực tế, những mô hình này giới hạn về dạng 
ptvp zero, first and second order. Những mô hình 
cao hơn ít dùng.
8/26/2012
13
Ch3 - DAS 25
Dynamic models
• Những mô hình động thường được phân 
tích theo biến đổi Laplace, biến đổi ptvp 
thành đa thức
– Biểu diễn Laplace như 1 dạng mở rộng của 
Fourier transform
• Phân tích Fourier được giới hạn cho sinus signals
– x(t) = sin(ωt) = e-jωt
• Phân tích Laplace cũng có thể được thực hiện theo kiểu 
hàm mũ
– x(t) = e-σtsin(ωt) = e-(σ +jω)t
Ch3 - DAS 26
Tham khảo: Laplace Transform (review)
• The Laplace transform of a time signal y(t) is 
denoted by
L[y(t)] = Y(s)
– The s variable is a complex number s=σ+jω
• The real component σ defines the real exponential behavior
• The imaginary component defines the frequency of oscillatory 
behavior
• The fundamental relationship is the one that 
concerns the transformation of differentiation 
8/26/2012
14
Ch3 - DAS 27
• Other useful relationships are
Laplace Transform (review)
Ch3 - DAS 28
The Laplace Transform (review)
• Applying the Laplace transform to the sensor model yields
– G(s) is called the transfer function of the sensor
• The position of the poles of G(s) -zeros of the denominator-
in the s-plane determines the dynamic behavior of the sensor 
such as
– Oscillating components
– Exponential decays
– Instability 
8/26/2012
15
Ch3 - DAS 29
Pole location and dynamic behavior
Ch3 - DAS 30
Zero-order sensors
• Quan hệ giữa Input & output 
bởi phương trình dạng:
– Zero-order là dạng đáp ứng 
mong muốn của sensor
• Không trễ
• Bandwidth không xác định
• Sensor chỉ thay đổi biên độ tín hiệu 
vào
– Zero-order systems: không chứa 
phần tử kho điện
– Example of a zero-order sensor
• A potentiometer used to measure 
linear and rotary displacements
– Mô hình này không thích hợp với 
hệ đo dịch chuyển biến thiên 
nhanh
8/26/2012
16
Ch3 - DAS 31
First-order sensors
• Quan hệ giữa Inputs & 
outputs bởi ptvp bậc nhất
– First-order sensors chứa 1 phần 
tử kho điện và một phần tử tiêu 
tán
– Đáp ứng bước nhảy:
• y(t) = Ak(1-e-t/τ)
– A biên độ của bước nhảy
– k (=1/a0) là hs khuếch đại tĩnh, 
được xác định bởi đáp ứng tĩnh 
– τ (=a1/a0) là hằng số thời gian được 
xác định bởi đáp ứng động
– Ramp response
• y(t) = Akt - Akτu(t) + Akτe-t/τ
– Frequency response
• Thường được mô tả bởi biểu đồ 
biên-pha
Ch3 - DAS 32
First-order sensor response
8/26/2012
17
Ch3 - DAS 33
Example of a first-order sensor
• A mercury thermometer 
immersed into a fluid
– What type of input was applied to the 
sensor?
– Parameters
• C: thermal capacitance of the mercury
• R: thermal resistance of the glass to heat 
transfer
• θF: temperature of the fluid
• θ(t): temperature of the thermometer
– The equivalent circuit is an RC 
network
Ch3 - DAS 34
Example of a first-order sensor
8/26/2012
18
Ch3 - DAS 35
3.2.2. Nguyên lý sensor
• Phân loại sensors
• Sensors cơ 
• Sensors nhiệt
• Sensors hóa
Ch3 - DAS 36
Phân loại sensors:
• Sensors được phân loại theo các cách sau:
– Power supply requirements: Passive and active
– Nature of the output signal: Digital and analog
– Measurement operational mode: Deflection and 
null modes
– Input/output dynamic relationships: Zero, first, 
second order, etc.
– Measurand: Mechanical, thermal, magnetic, 
radiant, chemical
– Physical measurement variable: Resistance, 
inductance, capacitance, etc.
8/26/2012
19
Ch3 - DAS 37
Passive and active sensors
• Thụ động hay tự sinh (Passive or self-generating)
– Đáp ứng là tín hiệu điện, phát trực tiếp khi có kích thích từ 
bên ngaòi, không cần nguồn điện cấp
• Output signal power comes from the stimulus
– Examples:
• Thermocouple
• Piezoelectric sensors
• Chủ động hay điều chế (Active or modulating)
– Các sensor này, khi hoạt động cần có nguồn cấp ngoài hoặc 
tín hiệu kích thích từ ngoài
• Output signal power comes from the power supply
– Examples:
• Thermistors
• Chemo-resistors
Ch3 - DAS 38
Analog and digital sensors
• Analog sensors:
– Cho ra tín hiệu liên tục cả về biên 
độ và thời gian hoặc không gian
– Hầu hết các đối tượng vật lý, theo 
tự nhiên, là tín hiệu analog.
• Examples: Temperature, 
displacement, light intensity
• Digital sensors:
– Đưa ra dạng tín hiệu là rời rạc, 
các bước hoặc trạng thái 1/0
• Digital signals are more repeatable, 
reliable and easier to transmit
– Examples: Shaft encoder, contact 
switch
8/26/2012
20
Ch3 - DAS 39
Operational modes
• Chế độ so lệch (Deflection mode)
– Sensor hay thiết bị đo tạo ra đáp ứng là 
độ lệch hay sự sai khác với giá trị ban 
đầu
– Độ lệch tỷ lệ với đại lượng đo
• Chế độ cân bằng (Null mode)
– Sensor hoặc thiết bị đo tạo ra sự đối 
trọng với đối tượng đo
• The influence and measurand are balanced 
(typically through feedback) until they are 
equal but opposite in value, yielding a null 
measurement
– Null mode instrumentation can produce 
very accurate measurements, but are not 
as fast as deflection instruments
Ch3 - DAS 40
Mechanical measurands
• Displacement
– Resistive sensors
– Capacitive sensors
– Inductive sensors
• Force and acceleration
– Strain gauges
– Cantilever beam-based sensors
8/26/2012
21
Ch3 - DAS 41
Resistive displacement sensors
• A resistance with a movable contact (a potentiometer) may be 
used to measure linear or rotational displacements
– A known voltage is applied to the resistor ends
– The contact is attached to the moving object of interest
– The output voltage at the contact is proportional to the displacement
• Notes
– Non-linearities as a result of loading effects
– Resolution due to limited number of turns per unit distance
– Contact wear as a result of frictions
Ch3 - DAS 42
Capacitive displacement sensors
• The capacitance of a parallel plate capacitor is
d is the separation between the plates, A is the area of the plates, ε0 is the 
permitivity of air and εr is the relative permitivity of the dielectric
• A moving object is attached to the dielectric or the plates to generate
capacitance changes
Notes
- Variable distance (d) sensors operate over a range of a few millimeters
- Cross-sensitivity to temperature and humidity (specially if the dielectric is air)
- Capacitive sensors are also commonly used to measure pressure 
“Condenser” microphones measure changes in air pressure of incoming sound 
waves
8/26/2012
22
Ch3 - DAS 43
Sensor đo dịch chuyển kiểu điện cảm
• Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (Linear 
Variable Differential Transformer -
LVDT)
– Sự dịch chuyển của lõi từ làm thay đổi hỗ cảm 
của 2 cuôn thứ cấp (phụ thuộc vào sơ cấp)
• Primary coil voltage: VSsin(ωt)
• Secondary coil induced emf: V1=k1sin(ωt+ϕ) 
and V2=k2sin(ωt+ϕ)
• Induced emf – electromotve force, suất điện 
động cảm ứng
– k1 và k2 phụ thuộc vào sự lắp đặt vị trí giữa sơ 
và thứ cấp.
– Khi lõi (core) nằm giữa, k1=k2 => VOUT=V1-V2
= 0
• Khi lõi dịch chuyển 1 lượng x, k1≠k2 => 
VOUT=(k1-k2)sin(ωt+ϕ)
• Dịch lên hay xuống được xác định bởi pha của 
VOUT
Ch3 - DAS 44
Inductive displacement sensors (cont)
• LVDT Characteristics
– Typical LVDTs run at 5V, 2kHz
– LVDTs can measure from mm down to μm
– Due to small variations in the windings, a small 
residual voltage appears at the output when the coil 
is in the central position
• Advantages of the LVDT over other 
displacement sensors
– No mechanical wear ensures a long life
– Complete electrical isolation
– DC versions with integrated oscillators are 
available
8/26/2012
23
Ch3 - DAS 45
Điện trở lực căng (Strain gauges)
• Strain gauges thay đổi R khi lực căng thay đổi 
(piezo-resistive effect)
– Strain is a fractional change (ΔL/L) in the 
dimensions of an object as a result of mechanical 
stress (force/area)
– The resistance R of a strip of material of length L, 
cross-section A and resistivity ρ is R=ρL/A
– Differentiating, the gauge factor G becomes
Ch3 - DAS 46
8/26/2012
24
Ch3 - DAS 47
Strain gauges
• Cấu tạo và sử dụng:
– Thường, strain gauges bao gồm lá kim loại 
(foil) hoặc dây wire được phủ bởi 2 lá cách 
điện (polyimide) 
– Gauge được dán vào vật bằng keo dán
– Các đường dẫn dọc được sắp đặt theo chiều 
của lực căng.
– Độ nhậy của sự biến dạng ngang có thể 
được bỏ qua.
• Chú ý:
– Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến gauges bán 
dẫn
• Để bù T, thường hay đặt thêm một 
“dummy” gauges có cùng hiệu ứng T nhưng 
không cho chịu lực, bù vi sai.
– Sự thay đổi R là rất nhỏ
• Strain gauges are almost invariable used in a 
Wheatstone bridge
Ch3 - DAS 48
Force and acceleration sensors
• Force sensors
– The coupled-double-beam load cell
• Dumb-bell cut-out provides areas of 
maximum strain for the gauges
• Cantilever beam bends in an S-shape
– This induces both compressive and 
tensile strains that can be easily 
measured in a bridge arrangement
• Acceleration sensors
– Spring-mass-damper accelerometer
• Covered in the previous lecture
– Cantilever-beam with strain gauges
• A seismic mass is attached to the end of 
the cantilever
– Dampening is usually performed with 
viscous fluids or permanent magnets
8/26/2012
25
Ch3 - DAS 49
Temperature sensors
• Thermo resistive sensors
– Resistive Temperature Devices (RTD)
– Thermistors
• Thermoelectric sensors
– The Seebeck effect
– The Peltier effect
– Thermocouples
• p-n junction sensors
– Covered in the Lab
Ch3 - DAS 50
Thermoresistive sensors
8/26/2012
26
Ch3 - DAS 51
Thermoelectric sensors
• The Seebeck effect
– When a pair of dissimilar metals are joined at one end, and there is a 
temperature difference between the joined ends and the open ends, thermal emf 
is generated, which can be measured in the open ends
• The Peltier effect
– When a current passes through the junction of two different conductors, heat 
can be either absorbed or released depending on the direction of current flow
• Thermocouples
– Based on the Seebeck effect
– Open ends must be kept at a constant reference temperature TREF
– A number of standard TCs are used
• These are denominated with different letter codes: T, J, K, S, R
– i..e, type J (the most popular) is made of Iron and Constantan (Cu/Ni alloy: 
57/43)
Ch3 - DAS 52
8/26/2012
27
Ch3 - DAS 53
Chemical sensors
• Conductivity
– Metal-oxides
– Conducting polymers
• Piezo-electric
– Surface Acoustic Wave
– Quartz Crystal Microbalance
Ch3 - DAS 54
Conductivity sensors
• Absorption of gases modifies the conductivity of sensing layer
• Sensing layer types
– Metal Oxide
• Typically SnO2 doped with Pt or Pd
• Operate a high temperatures (300-5000C)
• Temperature-selectivity dependency
• Broad selectivity
– Particularly suitable for combustible gases
– Conducting Polymers
• Based on pyrrole, aniline or thiophene
• Operate at room temperature
• CPs vs MOXs
– CP advantages
• Large number of polymers available with various selectivities
• Sensitivity* to wide number of VOCs
• Low power consumption
• Faster response and recovery times
– CP Limitations
• Cross-sensitivity* to humidity
• Lower sensitivity* than MOXs
*By sensitivity here we mean the ability to detect certain VOCs, not 
the slope of the calibration curve
8/26/2012
28
Ch3 - DAS 55
Piezo-electric chemical sensors
• Piezo-electric effect
– The generation of an electric charge by a crystalline 
material upon subjecting it to stress (or the opposite)
• A typical piezo-electric material is Quartz (SiO2)
– Piezo-electric sensors
• Thin, rubbery polymer layer on a piezo-electric substrate
• Sensing principle: mass and viscosity changes in the 
sensing membrane with sorption of VOCs
• Surface Acoustic Wave (SAW)
– AC signal (30-300MHz) applied to interdigitated input 
electrode generates a surface (Rayleigh) wave
– Propagation delays to output electrode are affected by 
changes in the surface properties
– Phase shifts of the output electrode signal are used as a 
response
• Quartz Crystal Microbalance (QMB)
– Also known as Bulk Acoustic Wave (BAW) devices
– Device is operated in an oscillator circuit
– Changes in the sensing membrane affect the resonant 
frequency (5-20MHz) of the device
Ch3 - DAS 56
3.2.3. Sensor interface circuits
• Review of circuit theory
– Voltage, current and resistance
– Capacitance and inductance
– Complex number representations
• Measurement of resistance
– Voltage dividers
– Wheatstone Bridge
– Temperature compensation for strain gauges
• AC bridges
– Measurement of capacitance
– Measurement of impedance
8/26/2012
29
Ch3 - DAS 57
Voltage, current, resistance and power
• Voltage
– The voltage between two points is the energy required to move a unit 
of positive charge from a lower to a higher potential. Voltage is 
measured in Volts (V)
• Current
– Current is the rate of electric charge through a point. The unit of 
measure is the Ampere or Amp (A)
• Resistance
– Given a piece of conducting material connected to a voltage difference 
V, which drives through it a current I, the resistance is defined as
R= V/I
• As you will recall, this is known as Ohm’s Law
• An element whose resistance is constant for all values of V is called an 
ohmic resistor
– Series and parallel resistors
• Power
– The power dissipated by a resistor is: P = VI = V2/R = I2R
Ch3 - DAS 58
Kirchhoff’s Laws
• 1st Law (for nodes)
– The algebraic sum of the currents 
into any node of a circuit is zero
• Or, the sum of the currents entering 
equals the sum of the currents leaving
• Thus, elements in series have the same 
current flowing through them
• 2nd Law (for loops)
– The algebraic sum of voltages in a 
loop is zero
• Thus, elements in parallel have the 
same voltage across them.
8/26/2012
30
Ch3 - DAS 59
Capacitors and inductors
• A capacitor is an element capable of storing 
charge
– The amount of charge is proportional to the voltage across 
the capacitor
Q = CV, C is known as the capacitance (measured in 
Farads)
– Taking derivatives: dQ/dt = d(CV)/dt => I = C dV/dt
– Therefore, a capacitor is an element whose rate of voltage 
change is proportional to the current through it
• Similarly, an inductor is an element whose rate of 
current change is proportional to the voltage 
applied across it
– V = L dI/dt, L is called the inductance and is measured 
in Henrys
Ch3 - DAS 60
Frequency analysis
8/26/2012
31
Ch3 - DAS 61
Voltages as complex numbers
Ch3 - DAS 62
Impedance
8/26/2012
32
Ch3 - DAS 63
Example: High-pass filter
Ch3 - DAS 64
Measurement circuits
• Resistance measurements
– Voltage divider (half-bridge)
– Wheatstone bridge
• A.C. bridges
– Measurement of capacitance
– Measurement of impedance
8/26/2012
33
Ch3 - DAS 65
Voltage divider
Ch3 - DAS 66
Voltage divider
8/26/2012
34
Ch3 - DAS 67
Wheatstone bridge
Ch3 - DAS 68
Wheatstone bridge
8/26/2012
35
Ch3 - DAS 69
Wheatstone bridge
• What is the sensitivity of the Wheatstone bridge?
• The sensitivity of the Wheatstone bridge is the same 
as that of a voltage divider
• You can think of the Wheatstone bridge as a DC offset removal 
circuit
• So what are the advantages, if any, of the 
Wheatstone bridge?
Ch3 - DAS 70
Voltage divider vs. Wheatstone for small x
• The figures below show the output of both circuits for 
small fractional resistance changes
– The voltage divider has a large DC offset compared to the voltage 
swing, which makes the curves look “flat” (zero sensitivity)
• Imagine measuring the height of a person standing on top of a tall building 
by running a large tape measure from the street
– The sensitivity of both circuits is the same!
• However, the Wheatstone bridge sensitivity can be boosted with a gain 
stage
– Assuming that our DAQ hardware dynamic range is 0-5VDC, 0<x<0.01 and 
k=1, estimate the maximum gain that could be applied to each circuit
8/26/2012
36
Ch3 - DAS 71
Compensation in a Wheatstone bridge
• Strain gauges are quite sensitive to temperature
– A Wheatstone bridge and a dummy strain gauge may be used to 
compensate for this effect
• The “active” gauge RA is subject to temperature (x) and strain (y) stimuli
• The dummy gauge RD, placed near the “active”gauge, is only subject to 
temperature
– The gauges are arranged according to the figures below
– The effect of (1+y) on the right divider cancels out
Ch3 - DAS 72
AC bridges
• The structure of the Wheatstone bridge can be 
used to measure capacitive and inductive sensors
– Resistance replaced by generalized impedance
– DC bridge excitation replaced by an AC source
• The balance condition becomes: 
Z1/Z4 = Z2/Z3
– which yields two equalities, 
for real and imaginary components
R1R3 – X1X3 = R2R4 – X2X4
R1X3 + X1R3 = R2X4 + X2R4
• There is a large number of AC bridge 
arrangements
– These are named after their respective developer
8/26/2012
37
Ch3 - DAS 73
AC bridges
• Capacitance measurement
– Schering bridge and Wien bridge
• Inductance measurement
– Hay bridge and Owen bridge
Ch3 - DAS 74
• OPAMPs
3.3. Conditioning Circuits:
8/26/2012
38
Ch3 - DAS 75
3.4. MUX và Sample & Hold:
Ch3 - DAS 76
3.5. ADCs:
8/26/2012
39
Ch3 - DAS 77
3.6. : Hệ Vi xử lý – hệ nhúng