CHAPTER 2

14/01/2021 VI XỬ LÝ TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN GIẢNG VIÊN: TS ĐOÀN THỊ HƯƠNG GIANG MOBIL: 0372630593 EMAIL: giangdth@epu.edu.vn TS Đoàn Thị Hương Giang ADC 14/01/2021 Giới thiệu • Vi mạch ADC (Analog to Digital Converter) sử dụng để chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số • Tín hiệu tương tự tín hiệu liên tục miền thời gian biên độ  Trong thực tế, hầu hết tín hiệu vật lý tồn dạng tương tự  Muốn xử lý tín hiệu hệ thống số cần phải chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số Các bước chuyển đổi ADC • Để thực chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, thiết bị chuyển đổi phải thực bước: +Lấy mẫu (Sampling) +Lượng tử hóa (Quantion) +Mã hóa (Encoding) TS ĐOÀN THỊ HƯƠNG GIANG 14/01/2021 Bước 1:Sampling(Lấy mẫu) • • • • • • • Lấy mẫu có nghĩa chia nhỏ tín hiệu tương tự thành nhiều phần thời gian theo chu kỳ tín hiệu tương tự chia nhỏ lấy Định luật lấy mẫu Nyquist: Một tín hiệu có khổ giới hạn biểu diễn khơi phục xác tín hiệu rời rạc tần số lấy mẫu tín hiệu phải đảm bảo điều kiện: Trong đó: + Fs (sample): Tần số lấy mẫu + Fmax : Tần số lớn tín hiệu cần lấy mẫu (Tần số số lần dao động đơn vị thời gian f=1/T Còn chu kỳ khoảng thời gian để thực đủ dao động) + Tần số lấy mẫu : Là số mẫu lấy vòng giây + Tần số tín hiệu : Là số tín hiệu giao động vịng giây TS ĐỒN THỊ HƯƠNG GIANG Bước 2: Quantization(Lượng tử hóa) • Sau có N mẫu từ bước trên, tiến hành gán mẫu với mức điện áp (Voltage) tương ứng Đó q trình lượng tử hóa Mỗi mẫu ứng với mức điện áp tương ứng (nửa trục thời gian điệp áp dương, nửa trục thời gian điện áp âm) Điện áp chia làm Segment chạy từ “-7” đến “+7” Mỗi Segment chia làm 16 phần Mỗi mẫu có bit nhị phân để biểu diễn Từ tính 256 khả xảy Nhưng khoảng Segment, khoảng Segment 0, Segment Segment khác TS ĐOÀN THỊ HƯƠNG GIANG 14/01/2021 Bước 3: Encoding(Mã hóa) • Với việc lấy mẫu N mẫu/giây, sử dụng bit nhị phân để mã hóa cho mẫu • Cứ mẫu lượng tử hóa biểu diễn dạng nhị phân (bit “0” bit “1”) Quá trình biết với tên Pulse-Code Modulation (PCM) • Bằng cách chuyển đổi số nhị phân bit cho mẫu N mẫu, tính băng thơng u cầu tối thiểu cho tín hiệu N mẫu × bit/mẫu = 64.000 bps= 64 kbps TS ĐỒN THỊ HƯƠNG GIANG Các thơng số chủ yếu ADC • Độ phân giải: Độ phân giải ADC biểu thị số bit tín hiệu số đầu Số lượng bit nhiều sai số lượng tử nhỏ, độ xác cao • Dải động, điện trở đầu vào: Mức logic tín hiệu số đầu khả chịu tải (nối vào đầu vào) • Độ xác tương đối: Nếu lý tưởng hóa tất điểm chuyển đổi phải nằm đường thẳng Độ xác tương đối sai số điểm chuyển đổi thực tế so với đặc tuyến chuyển đổi lý tưởng Ngoài cịn u cầu ADC khơng bị bit tồn phạm vi cơng tác • Tốc độ chuyển đổi: thời gian cần thiết hoàn thành lần chuyển đổi A/D Thời gian tính từ xuất tín hiệu điều khiển chuyển đổi đến tín hiệu số đầu ổn định • Hệ số nhiệt: biến thiên tương đối tín hiệu số đầu nhiệt độ biến đổi độ C phạm vi nhiệt độ công tác cho phép với điều kiện mức tương tự đầu vào khơng đổi • Tỷ số phụ thuộc công suất: Giả sử điện áp tương tự đầu vào không đổi, nguồn cung cấp cho ADC biến thiên mà ảnh hưởng đến tín hiệu số đầu lớn tỉ số phụ thuộc nguồn lớn • TS Đồn Thị Hương Giang Cơng suất tiêu hao 14/01/2021 Tỷ lệ lấy mẫu/Tần suất/Tốc độ chuyển đổi • • • Tốc độ lấy mẫu ADC cịn gọi tần số lấy mẫu, gắn với tốc độ ADC Tốc độ lấy mẫu đo cách sử dụng mẫu giây, đơn vị tính SPS S/s (hoặc bạn sử dụng tần số lấy mẫu, tính Hz) Điều đơn giản có nghĩa cần mẫu điểm liệu vòng giây ADC lấy nhiều mẫu, tần số cao xử lý Một phương trình quan trọng tỷ lệ mẫu là: fs = / T fs = Tỷ lệ mẫu / Tần suất T = Thời gian lấy mẫu thời gian cần thiết trước lấy mẫu lại TS ĐOÀN THỊ HƯƠNG GIANG Độ phân giải ADC • Độ phân giải ADC gắn với độ xác ADC • Độ phân giải ADC xác định độ dài bit • Khi bạn tăng độ dài bit, mức tăng làm cho tín hiệu thể chặt chẽ tín hiệu analog gốc • Độ phân giải phụ thuộc vào chiều dài bit điện áp tham chiếu: Kích thước bước = VRef / N Kích thước bước = Độ phân giải cấp điện áp VRef = Tham chiếu điện áp (phạm vi điện áp) N = Tổng kích thước cấp ADC Để tìm kích thước N, sử dụng phương trình này: N = 2n n = Kích thước bit TS ĐỒN THỊ HƯƠNG GIANG 10 14/01/2021 Các loại chuyển đổi ADC • Mạch đổi dùng điện tham chiếu bậc thang • Mạch đổi lấy xấp xỉ liên tiếp (sucessive approximation converter) • Mạch đổi dùng tín hiệu dốc đơn (single ramp converter) • Mạch đổi lấy tích phân (Integrating Converter) • Mạch đổi lưỡng cực • Mạch đổi song song (parallel hay flash conversion) • … TS ĐỒN THỊ HƯƠNG GIANG 11 Một số ADC • AD7175-2 (Độ phân giải tối đa: 24 bit | Tốc độ mẫu tối đa: 250 kSPS) AD7175-2 chuyển đổi analog digital Delta-Sigma cho đầu vào băng thơng thấp Nó có độ ồn thấp, xử lý nhanh, ghép kênh, 2/4 kênh có tốc độ quét kênh tối đa 50 kSPS (20 Lời) cho liệu xử lý hoàn toàn Tốc độ liệu đầu dao động từ SPS đến 250 kSPS Bạn định cấu hình thiết lập riêng cho kênh đầu vào analog sử dụng có độ phân giải tối đa 24 bit Các ứng dụng bao gồm: điều khiển trình (mơ-đun PLC / DCS), đo nhiệt độ áp suất, thiết bị đa kênh y tế khoa học sắc ký • AD9680 (Độ phân giải tối đa: 14 bit | Tốc độ mẫu tối đa: 1,25 GSPS) ADC có băng thơng cơng suất đầy đủ rộng, hỗ trợ lấy mẫu IF tín hiệu lên đến 2GHz Nó có bốn lọc phân rã băng rộng tích hợp khối dao động điều khiển số (NCO) hỗ trợ máy thu đa băng tần Với đầu vào đệm với kết thúc đầu vào lập trình, giúp giảm bớt việc thiết kế thực lọc Các ứng dụng bao gồm: thông tin liên lạc, radio phần mềm đa năng, máy thu vệ tinh ultrawideband, thiết bị đo, radar nhiều • AD7760 (Độ phân giải tối đa: 24 bit | Tốc độ mẫu tối đa: 2,5 MSPS) AD7760 ADC sigma-delta hiệu suất cao, kết hợp băng thơng đầu vào tốc độ cao với lợi ích chuyển đổi sigma-delta để đạt hiệu suất 100 dB ANR 2,5 MSPS, lý tưởng cho việc thu thập liệu tốc độ cao Nó đơn giản hóa q trình thiết kế với phạm vi động rộng kết hợp với yêu cầu khử cưa giảm đáng kể Các ứng dụng bao gồm: hệ thống thu thập liệu, phân tích rung động thiết bị đo • … TS ĐỒN THỊ HƯƠNG GIANG 12 14/01/2021 Các bước để thiết kế mạch chuyển đổi ADC hồn chỉnh • Mơ tả đầu điện cảm biến tín hiệu cần chuyển đổi số • Tính tốn u cầu ADC • Tìm tham chiếu điện áp ADC + tối ưu để thực chuyển đổi tín hiệu • Tìm mức tăng/giảm tối đa xác định tiêu chí tìm kiếm cho op amp • Tìm khuếch đại tốt thiết kế khối khuếch đại • Ghép nối hệ thống với ADC TS ĐỒN THỊ HƯƠNG GIANG 13 Phương trình chuyển đổi ADC • u cầu: Lựa chọn ADC n-bit thích hợp? • Chọn điện áp reference Vref cấp cho ADC • Cấp điện áp Vin đầu vào tương tự cho ADC • Đầu ADC: d = Dn-1Dn-2…D0 xác định bởi: 𝑉𝑖𝑛 𝑆𝑡𝑒𝑝 𝑠𝑖𝑧𝑒 Step size (độ phân giải) thay đổi nhỏ đầu vào mà đầu ADC thay đổi giá trị: 𝑑 = 𝑓𝑙𝑜𝑜𝑟 • 𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑠𝑖𝑧𝑒 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 2𝑛 14/01/2021 ADC 0809 Vi mạch ADC 0809  Là thiết bị CMOS với chuyển đổi tương tự sang số bit logic điều khiển tương thích với loại vi xử lý  Bộ ADC – bit sử dụng kỹ thuật chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp  ADC 0809 cho tốc độ độ xác cao, tối thiểu khả phụ thuộc vào nhiệt độ, tiêu thụ lượng, cho phép hiệu chỉnh điểm bên TS Đoàn Thị Hương Giang VXL Đo Lường & Điều Khiển 14/01/2021 Các thông số ADC 0809 • • • • • • • • • • ADC bit/Độ phân giải: 8-bit kênh vào độc lập Thời gian chuyển đổi/tốc độ chuyển đổi 100µs Dễ giao tiếp với vi xử lý điều khiển Các đầu trạng thái có chốt Các đầu vào địa có chốt Có điện áp tham chiếu tùy chỉnh theo ứng dụng cụ thể Nguồn cung cấp 5VDC Công suất thấp 15mW Tổng sai số chưa hiệu chỉnh: ±1/2 LSB and ±1 LSB • Nếu cấp Vref (-) = GND Vref (+) = 5VDC thì: step size(resolution) = 5/28 = 19,53mV  Để có độ phân giải 10mV ta cần đặt: Vref (+) = 2,56VDC;Vref (-) = GND Các chân chức ADC0809  IN0 ÷ IN7 : đầu vào tương tự  2-1 ÷ 2-8 : đầu số  A, B, C : giải mã chọn đầu vào  ALE : cho phép chốt địa  OE : cho phép xuất đầu  START : xung bắt đầu chuyển đổi  CLK : xung đồng hồ  REF(+) : điện tham chiếu (+)  REF(-) : điện tham chiếu (-)  Vcc : nguồn cung cấp 14/01/2021 Giải mã chọn kênh ADC 0809 Chọn đầu vào tương tự thực nhờ chân A , B, C bảng trạng thái: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 C 1 1 Đầu vào chọn IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 Giản đồ thời gian trình chuyển đổi ADC 0809 10 14/01/2021 Một số chân chức • SCLK: – – • Xung clock Dùng để đồng tín hiệu cho tín hiệu nối tiếp ADC (DOUT) DOUT: – – – Dữ liệu nối tiếp ADC Đầu ADCđược đưa chân đồng với xung nhịp SCLK Khơng có tín hiệu chân tín hiệu có trạng thái trở kháng cao Khi có tín hiệu DL chuyển cổng sườn lên xung SCLK • DIN: – Dữ liệu vào nối tiếp ADC – DL đưa vào sườn xuống SCLK • 𝐼𝑅𝑄: – Yêu cầu ngắt đầu – Tích cực mức thấp TS Đồn Thị Hương Giang 33 Lưu ý thiết kế • • • • • Chuẩn hóa tín hiệu đo dịng điện Chuẩn hóa tín hiệu đo điện áp Đưa tín áp/dịng vào hai đầu vào ADE7750 Đầu kết nối với vi điều khiển Viết chương trình thu thập quản lý số liệu (tùy yêu cầu) TS Đoàn Thị Hương Giang 34 17 14/01/2021 DAC TS Đoàn Thị Hương Giang 35 Giới thiệu • Vi mạch chuyển đổi DAC sử dụng để chuyển tín hiệu từ dạng số sang dạng tương tự • DAC thường dùng để tạo ngõ giao tiếp hệ thống số với giới analog bên ngồi • Tín hiệu tương tự điện áp hay dịng điện • Ngõ vào số đọc vào nối tiếp song song 18 14/01/2021  Phương trình chuyển đổi DAC: • Trên sỏ tốn, lựa chọn DAC có độ phân giải n-bit thích hợp • Đầu vào số đưa tới DAC (digital input to DAC) có dạng d = Dn-1Dn-2…D0 • Tính tốn cấp điện áp reference Vref cho DAC • Điện áp đầu DAC xác định cơng thức: • Trong số trường hợp TS Đoàn Thị Hương Giang VXL Đo Lường & Điều Khiển Ví dụ DAC 19 14/01/2021 DAC MCP4922 • Vi mạch DAC MCP4922 vi mạch chuyển đổi số sang tương tự 12-bit dùng giao tiếp SPI Microchip  Các thông số chủ yếu DAC • Số bít : n = 8,10,12,13,14 … Số n lớn đầu tinh • Đầu lớn (Full scale value) DAC xác định • Độ phân giải (resolution): thay đổi nhỏ xảy đầu tương tự kết thay đổi đầu vào số, xác định theo cơng thức Nếu tính theo phần trăm ta có cơng thức: • Sai số tồn thang (full scale error): khoảng lệch tối đa đầu DAC so với giá trị dự kiến(lý tưởng), biểu diễn dạng phần trăm TS Đoàn Thị Hương Giang VXL Đo Lường & Điều Khiển 20 14/01/2021  Các thơng số chủ yếu DAC • Sai số tuyến tính (linearity error): khoảng lệch tối đa kích thước bậc thang so với kích thước bậc thang lý tưởng • Sai số lệch (Offset error) : lượng khác 0V đầu DAC tất đầu vào nhị phân toàn bit • Thời gian ổn định (settling time): thời gian cần thiết để đầu DAC từ zero đến bậc thang cao đầu vào nhị phân biến thiên từ chuỗi bit toàn đến chuỗi bit toàn Ví dụ 1: Một ADC 10 bit có kích thước bậc thang = 10mV Hãy xác định điện đầu cực đại ( đầy thang ) tỷ lệ % độ phân giải ? Giải: DAC có 10 bit nên ta có số bậc 210 – = 1023 bậc.Với bậc 10mV nên đầu cực đại 10mVx1023 = 10.23V TS Đoàn Thị Hương Giang  VXL Đo Lường & Điều Khiển Tìm hiểu DAC MCP4922 • Vi mạch DAC MCP4922 vi mạch chuyển đổi số sang tương tự bit dùng giao tiếp SPI Microchip TS Đoàn Thị Hương Giang VXL Đo Lường & Điều Khiển 21 14/01/2021  Lệnh ghi (Write command)  Ứng dụng: MCP4922 dùng ứng dụng cần DAC cơng suất thấp, độ xác cao, băng thơng trung bình VXL Đo Lường & Điều Khiển TS Đoàn Thị Hương Giang Kết nối tiêu biểu 42MCP 4922 sử dụng ứng dụng cần DAC công suất thấp, độ xác cao với băng thơng trung bình 22 14/01/2021 Mạch giao tiếp 8051 • Vi mạch MCP4922 thiết kế giao tiếp với MCU thông qua giao tiếp SPI • Vì tín hiệu điều khiển MCP4922 kết nối trực tiếp đến bit port nên lệnh cho phép thao tác ghi P1 Ví dụ đoạn mã sau dùng để dịch bit liệu từ 8051 vào MCP4922: CLR MOV SETB SCK; tạo xung clock SDI, C; dịch cờ C SCK; vào MCP4922 Giải mã địa Giao tiếp nhớ 23 14/01/2021 Giải mã địa • Khi vi xử lý gửi địa bus địa chỉ, thơng tin phải chuyển thành lệnh cụ thể cho thiết bị cụ thể Giải mã địa thực tác vụ Nó sử dụng thông tin bus địa để xác định thiết bị truy cập Phương pháp giải mã địa Có phương pháp giải mã địa chỉ: • Giải mã tồn phần (Full address decoding): Mỗi ngoại vi gán cho địa Tất bit địa dùng để định nghĩa vị trí tham chiếu • Giải mã phần (Partial address decoding): Không phải tất bit dùng cho việc giải mã địa Các ngoại vi đáp ứng cho địa Phương pháp làm giảm độ phức tạp mạch giải mã địa Thông thường hệ thống nhỏ sử dụng giải mã phần 24 14/01/2021 Ví dụ: TK mạch giải mã địa • Với bảng nhớ sau, thiết kế mạch giải mã toàn phần mạch giải mã phần cho chip nhớ (RAM 4KB ROM 16KB) I/O Bảng nhớ/IO ví dụ 25 14/01/2021 Ví dụ giải mã địa tồn phần Kỹ tḥt giải mã mợt phần 26 14/01/2021 Ví dụ giải mã địa phần Kỹ thuật giải mã phần dẫn đến Mạch giải mã đơn giản Nhiều vùng địa cấp phát với tầm địa phần Thí dụ mạch giải mã cho RAM kiểm tra A15 kết toàn tầm địa từ 0000H đến 7FFFH cấp phát cho RAM Sự bất lợi giải mã địa phần khai triển thêm nhớ thiết bị I/O thì cần thiết kế lại mạch giải mã địa Trái lại, với mạch giải mã toàn phần thì thêm vào nhớ thiết bị I/O, ta không cần sửa đổi mạch giải mã địa 27 14/01/2021 Hardware dùng cho mạch giải mã địa • • • • • Cổng logic  mạch phức tạp Mạch giải mã (Decoder) –TD:74LS138, Mạch so sánh (Comparator) ROM  thừa chức PLD: PLA, PAL,  cho đáp ứng nhanh Giao tiếp nhớ • Vi xử lý sử dụng nhớ để lưu trữ lệnh liệu thực thi chương trình Do vi xử lý thực nhiều tác vụ ghi/đọc với nhớ thực thi chương trình • Mỗi chip nhớ RAM hay ROM có ngõ vào có tên /CE (Chip Enable=cho phép chip [hoạt động]) /CS (Chip Select=Chọn chip), thông thường chân hoạt động logic tích cực thấp, nghĩa chân mức chip chọn • Vì mạch có nhiều thiết bị I/O nhớ, cần phải có mạch giải mã địa để tạo tín hiệu chọn chip • Bus điều khiển có tín hiệu định (do vi xử lý cung cấp) để đồng chuyển thông tin vi xử lý nhớ hay thiết bị I/O Tổng qt có tín hiệu RD (Read) WR (Write), hai tín hiệu thơng thường hoạt động logic tích cực thấp Ngồi tùy theo vi xử lý cịn có thêm tín hiệu khác ALE, PSEN, 28 14/01/2021 Một số chân điều khiển nhớ • Bộ nhớ (và hầu hết thiết bị ngoại vi) có đường điều khiển đặc biệt để giao tiếp với vi xử lý • /CS /CE(Chip Select Chip Enable) – Được ĐK mạch giải mã địa từ vi xử lý – Thường tích cực thấp – Khi xác định, chip/ngoại vi chọn • /OE(Output Enable=cho phép xuất) hay /RD(với RAM) – Thường thấy nhớ – Khi tích cực (thường thấp) ngõ trạng thái hi-Z – Đơi xem /RD RAM • /WR(Write Enable=cho phép ghi) – Được ĐK /WR vi xử lý Qui tắc chung thiết kế mạch giao tiếp nhớ với 8051 Lập bảng nhớ – Hệ thống ứng dụng phụ thuộc – Giải pháp đơn giản tách riêng 64KB nhớ liệu 64KB nhớ mã – Để sử dụng địa 64K sử dụng thêm bit từ cổng I/O không sử dụng làm đường địa Chọn linh kiện nhớ thích hợp (nếu khơng bị áp đặt sử dụng) Sử dụng mạch giải mã địa (nếu cần) để tạo tín hiệu /CE hay /CS cho chip nhớ Sử dụng đường /PSEN (từ 8051) cho nhớ mã Sử dụng đường /RD, /WR cho nhớ liệu Chân /EA=VCC (+5V) để sử dụng ROM 8051, cho /EA=GND (0V) để truy cập ROM 29 14/01/2021 Giao tiếp 8051 với RAM HM 6264 ROM 27C256 8031/8051 giao tiếp với RAM I/O 30 14/01/2021 …To chapter3 TS Đoàn Thị Hương Giang 61 31 ... Hương Giang Kết nối tiêu biểu 42MCP 4 922 sử dụng ứng dụng cần DAC cơng suất thấp, độ xác cao với băng thơng trung bình 22 14/01 /20 21 Mạch giao tiếp 8051 • Vi mạch MCP4 922 thiết kế giao tiếp với MCU... ROM 8051, cho /EA=GND (0V) để truy cập ROM 29 14/01 /20 21 Giao tiếp 8051 với RAM HM 626 4 ROM 27 C256 8031/8051 giao tiếp với RAM I/O 30 14/01 /20 21 …To chapter3 TS Đoàn Thị Hương Giang 61 31 ... dụ DAC 19 14/01 /20 21 DAC MCP4 922 • Vi mạch DAC MCP4 922 vi mạch chuyển đổi số sang tương tự 12- bit dùng giao tiếp SPI Microchip  Các thông số chủ yếu DAC • Số bít : n = 8,10, 12, 13,14 … Số n lớn