luận văn chuyên ngành cơ điện tử :đo lực và ứng xuất

luận văn chuyên ngành cơ điện tử :đo lực và ứng xuất

LỜI GIỚI THIỆU

Ngày nay việc đo lường và điều khiển được ứng dụng trong sản xuấtcông nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm rất hữu dụng Lợi dụng việc

đo ứng suất biến dạng từ đó mà ta có thể xác định được những thông số vật lý

cơ học khác như: độ võng tĩnh, moment, lực tác dụng, …

Hiện nay đã có những máy đo như loại dùng đồng hồ chỉ thị số P3500được thực hiện tại phòng thí nghiệm Khi khoa học công nghệ thông tin đã vàđang phát triển thì máy vi tính bắt đầu thay thế các thiết bị đo lường thôngthường mà cho ta kết quả nhanh và chính xác Các thiết bị, hệ thống đolường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thuthập số liệu ngắn nhưng điều đáng quan tâm hơn là mức độ tự động hóatrong việc thu thập và xử lý các kết quả đó

Tuy nhiên để hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tínhhoạt động được thì ngoài phần mạch điện khuếch đại và chuyển đổi AD thìcần có chương trình được nạp vào máy tính để xử lý kết quả

Bài luận văn này cũng là một đề tài xử lý tín hiện điện tử bộ cảm biếncho phép máy tính có thể giao tiếp thông qua cổng máy in

PHẦN A DẪN NHẬP

I ĐẶT VẤN ĐỀ:

Để hiểu được và làm chủ được các hiện tượng vật lý hóa học, y, sinhhọc trong đời sống chúng ta, đòi hỏi chúng ta phải có phương pháp đo vàthiết bị đo lường sẽ giúp chúng ta đạt được mục đích này

Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ điện tử và công nghệ thôngtin chúng ta có thêm các thiết bị đo lường điện tử ngày càng chính xác hơn,sử dụng thuận lợi hơn, hoạt động ở chế độ tự động hóa hoàn toàn Để phụcvụ cho việc tự động hóa trong công nghiệp, chúng ta phải đề cập đến cácphương pháp và cảm biến đo các đại lượng không điện

Ví dụ như: lực, áp suất, nhiệt độ v.v Từ những đại lượng không điệnnày được cảm biến chuyển đổi thành đại lượng điện rồi xử lý tín hiệu bằngnhững mạch điện tử

Với mục đích là xác định độ biến dạng, ứng suất khi tác dụng một lựcvào một đầu của một dầm ngang Tức là đặt một vật có khối lượng vào đầudầm, trên dầm có gắn Strain Gage (miếng đo biến dạng) mà từ đó ta có thểxác định được khối lượng mà vật đặt vào Thông qua đại lượng trung giannày mà ta có thể xác định được: độ biến dạng ứng suất, độ võng và đề tàinày sẽ được tìm hiểu kỹ về cách thức xác định được các đại lượng này

Với đề tài “ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT” này có thể dùng làm thiết bị đo

lường ở phòng thí nghiệm Do đó nhiệm vụ chủ yếu là phải hiển thị được kếtquả với sai số càng nhỏ càng tốt

II GIỚI HẠN ĐỀ TÀI:

Đo lực và ứng suất bằng máy tính Nhờ sự trợ giúp của máy tính cộngvới phần mềm Pascal cho phép người lập trình có thể hiển thị kết quả dướinhiều hình thức khác nhau (hiển thị chế độ văn bản, ở chế độ đồ thị)

Với thời gian ngắn chỉ có 10 tuần mà có nhiều vấn đề cần giải quyết,hơn nữa kiến thức về lập trình có giới hạn Do đó trong khoảng thời gian đó,nhóm sinh viên thực hiện tập trung vào giải quyết những vấn đề sau:

- Thiết kế phần cứng

- Viết chương trình xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến để hiển thị kếtquả trên màn hình

III CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC THI ĐỀ TÀI:

Với những yêu cầu đó ta có thể đưa ra phương pháp để thực thi đề tàinhư sau:

• Sử dụng kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển

• Dùng máy tính để xử lý

Với kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển nếu dùng led 7 đoạn để hiển thị 1loạt các thông số: lực, ứng suất, biến dạng thì sẽ trở nên gặp khó khăn và

hiển thị dưới đồ thị sẽ không thực hiện được Do đó ở đây nhóm sinh viênthực hiện chọn máy tính để xử lý thông qua cổng máy in Sở dĩ chọn phươngpháp này có ưu điểm là:

- Có thể hiện thị cùng một lúc các thông số và đồ thị

- Tính toán và lập trình trên phần mềm Pascal so với xử lý và viđiều khiển

CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG

I KHÁI NIỆM VỀ BIẾN DẠNG:

Khi đặt một lực vào vật thể, vật thể bị thay đổi hình dạng Trong trườnghợp tổng quát, sự thay đổi này gọi là biến dạng Ở đây chúng ta hiểu biếndạng như là sự thay đổi hình dạng trên 1 đơn vị dài hay là độ thay đổi chiềudài tương đối

II CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG:

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đầu dò, đặc biệt từnhững năm 1970, người ta đã chế tạo ra rất nhiều dụng cụ đo biến dạng dựatrên các nguyên lý cơ khí, quang, điện âm thanh và nguyên lý khí nén Tuynhiên không có một nguyên lý nào có thể thỏa mãn mọi yêu cầu kỹ thuật đặt

ra Do đó có rất nhiều hệ thống đo khác nhau để đáp ứng mọi yêu cầu đotrong phạm vi giải quyết những vấn đề khác nhau, sau đây là các phươngpháp đo:

1 Phương pháp cơ khí:

Phương pháp cơ khí đo biến dạng ngày nay ít được sử dụng, bởi vì đobiến dạng bằng điện trở chính xác hơn và dễ sử dụng Tuy nhiên, dụng cụ đo

cơ khí được gọi là Extensometer vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong hệthống kiểm tra vật liệu

2 Phương pháp âm thanh:

Phương pháp âm thanh đo biến dạng hiện nay hầu hết được thay đổibằng phương pháp đo điện Phương pháp đo biến dạng bằng âm thanh có nétđộc đáo riêng, ổn định không mất độ chính xác theo thời gian Phương pháp

đo biến dạng bằng âm thanh vẫn được sử dụng dựa trên nguyên lý do ôngR.S.Jerrett sáng chế vào năm 1944

3 Phương pháp biến dạng bằng điện trở:

Phương pháp đo biến dạng bằng điện trở này được xem là hoàn hảonhất, chỉ trừ một số trường hợp đạêc biệt phương pháp này không sử dụngđược Phương pháp này được xem là phổ biến nhất hiện nay dựa trên nguyênlý do ông Kelvin phát hiện năm 1856

4 Phương pháp đo biến dạng bằng chất bán dẫn:

Ưu điểm có độ nhạy cao nhưng giá thành lại cao Phạm vi đo chịu ảnhhưởng nhiều về yếu tố nhiệt độ Phương pháp này dùng để đo biến dạng rấtnhỏ vì nó cực nhạy (với điều kiện nhiệt độ ổn định) song rất ít sử dụng

5 Phương pháp đo biến dạng bằng phương pháp lưới:

Phương pháp này có từ lâu đời, đặt lưới lên mẫu thử chụp hình trước vàsau khi đạt tải trọng, lưới sẽ bị biến dạng Phương pháp này có điểm khókhăn là các biến dạng thường nhỏ do đó hầu hết các trường hợp sự dịchchuyển các mắt lưới không bảo đảm tính chính xác Để sử dụng phương phápbiến dạng đủ lớn (cho chất dẻo cao su) rất hiệu quả

6 Phương pháp tạo mẫu Hickson (phương pháp lưới):

Đặt tờ giấy nhám lên vật mẫu kéo theo 2 phương để tạo vết trầy Để

đo biến dạng trên mẫu thử rất khó nên người ta lấy tấm hợp kim mỏng dánlên chỗ trầy, để in lên tấm phim đó, thay vì đo vật mẫu người ta đo vết trầylên tấm phim

Trong suốt 50 năm qua phương pháp đo biến dạng bằng điện trở đãđược sử dụng rộng rãi vì sự đơn giản cũng như kết quả đáng tin cậy củachúng

Do đó trong đề tài này nhóm sinh viên thực hiện đo biến dạng bằng điện trở

III ĐO BIẾN DẠNG BẰNG STRAIN GAGE:

Miếng đo biến dạng (strain - gage) là một cấu kiện điện trở được dùngđể dán lên một bộ phận biến dạng Mức biến dạng của bộ phận thông qualớp keo được truyền sang miếng đo Miếng đo như vậy phải chịu một sự biếnđộng tỷ lệ với điện trở của nó

Strain Gage (SG-miếng đo biến dạng) là một trong những công cụ quantrọng của kỹ thuật đo lường điện tử được áp dụng đo các đại lượng cơ học.Đúng như tên gọi, nó được sử dụng để đo biến dạng Biến dạng của một vậtthể được gây ra bởi tác nhân bên ngoài hoặc bên trong, làm sinh ra ứng suất

Do vậy trong phân tích ứng suất thực nghiệm người ta sử dụng rộng rãiphương pháp xác định biến dạng

Các thiết bị biến dạng cho đến nay đã được nhiều hãng chế tạo như:Hottinger Baldwin, Messttechnik, Micromesures Vishay

Strain Gage được tạo ra với 2 kết cấu là lưới phẳng và dạng ống trụ

a Dạng lưới phẳng b Dạng ống trụ

Winding Cord

1 Hệ số miếng đo (Gage factor):

Sự thay đổi điện trở của một cấu kiện có điện trở biến đổi được tùythuộc vào quan hệ sau:

Với R: là điện trở ban đầu của cấu kiện

L: chiều dài ban đầu của cấu kiện

F : hệ số miếng đo

Một miếng đo lý tưởng phải có một điện trở rất lớn, một hệ số đo cựcđại và một mức giới hạn đàn hồi cao, đồng thời lại không bị ảnh hưởng nhiệtđộ cao tác động Thêm vào đó, hệ số miếng đo luôn luôn bất biến cho dùmức biến dạng có lớn đến đâu đi chăng nữa

Để miếng đo có thể hoạt động một cách thích hợp theo sức căng cũngnhư sức nén, sợi điện trở phải càng mỏng để cho lớp keo có thể truyền hoàntoàn mức biến dạng của bộ phận sang miếng đo

2 Chất keo dán:

a) Keo cyanoacrylate: Rất thực dụng cho việc áp dụng bình

thường trong thời gian ngắn, nhiệt độ áp dụng dưới 1000C Sẽ khô cứngtrong vài giây dưới tác dụng của sức ép

b) Keo epoxy: Rất có hiệu quả, ổn định trong thời gian lâu với

nhiệt độ đến 300oc

c) Keo gốm: Khó áp dụng hơn vì cần thiết bị đặt biệt có vẻ mong

manh yếu ớt, không cho phép dùng với những biến dạng lớn.,sử dụngđược đến 600oc

d) Hàn: Đây là cách thức thực tế nhất để dùng ở nhiệt độ cao cho

các miếng đo trong vỏ bọc kim loại rất đặc

Cần chú ý là bề mặt để dán phải được tẩy sạch dầu mỡ và sau đó đượctrung hòa bằng hóa chất Để tạo ra bề mặt có tính chất lý tưởng đối với loạikeo này, bề mặt phải được làm sạch vết rỉ để tạo ra bề mặt nhẵn nhưngkhông quá bóng

E F L

L F R

IV MẠCH CẦU WHEATSTONE:

Cầu Wheatstone là mạch cầu được chọn nhiều nhất trong việc đo nhữngbiến dạng điện trở nhỏ (tối đa 10%) như trong việc dùng các miếng đo biếndạng

1 Nguyên lý:

Đối cầu Wheatstone của hình 1:

Tín hiệu đầu ra Em qua thiết bị đo với trở kháng Zm:

R: điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R3 & R4 (thường là120Ω nhưng là 350Ω cho các bộ biến cảm)

V: điện áp cung cấp cho cầu

Điện áp cung cấp cho cầu là một nguồn năng lượng cung cấp thật ổnđịnh

Phần lớn Zm lớn hơn R rất nhiều (ví dụ như:Vôn kế, bộ khuếch đại với liênkết trực tiếp) do đó thì phương trình (1) trở thành:

Từ (2) có nhận xét là: sự thay đổi đơn vị điện trở của 2 điện trở nghịchnhau Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tínhổn định nhiệt của mạch đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt

trở

điệncủavịđơnđổiBiến

:

(1) 4

43

32

21

11

R R

R R

R Zm

R

V Em

43

32

21

R R

R R

R V

Em

m E

2 Cân bằng ban đầu:

Trước khi bắt đầu việc thử nghiệm, điều quan trọng là nên nhớ đem tấtcả các số ghi trên thiết bị trở lại số không Điều này sẽ làm đơn giản cho việcthể hiện đo đạc và cho phép dùng thiết bị tốt hơn Hình trên cho thấy mộtphương pháp thường dùng để đảm bảo cho việc cân bằng ban đầu Ra là điệntrở cố định, Rb là một thế kế nhiều vòng Trong phần lớn thường sử dụng

Ra=20kΩ, Rb=40kΩ đủ thích hợp cho việc cân bằng

Trong trường hợp của các bộ biến cảm, việc cân bằng có thể thực hiệntrực tiếp lên bộ cảm biến bằng cách thêm những điện trở vào mạch cácmiếng đo

3 Các đặc tính của cầu:

a) Bù nhiệt:

Phần lớn các miếng đo biến dạng hiện nay đều có khả năng tự động cânbằng Thí dụ, một miếng đo được cân bằng cho phép về lý thuyết sẽ khôngcho thấy sự thay đổi điện trở nào khi miếng thép mà miếng đo được dán lênsẽ giãn nở khi nhiệt độ thay đổi Đặc tính tự cân bằng này có được là nhờviệc xử lý nhiệt áp dụng cho kim loại dùng để chế tạo ra miếng đo Cách xửlý nhiệt này chỉ có hiệu quả trong một tầm nhiệt độ giới hạn nào đó

Bằng cách dùng cầu Wheatstone ta cũng có thể chế tạo mạch cân bằngnhiệt độ Như đã biết, sự thay đổi nhiệt độ của 2 nhánh cầu kề nhau sẽ tựtriệt tiêu nên miếng đo cân bằng D được nối vào mạch cầu Wheatstone vớimiếng đo hữu công A

V Ra

Rb

Mạch cân bằng nhiệt độ

Miếng đo D cũng có cùng tính chất như miếng đo A và cũng được dánlên khối vật liệu; trong khi dán các miếng đo, khối vật liệu thử nghiệm nàykhông bị chịu một lực tác động nào Ngoài ra 2 miếng đo A&D nên được đặtgần với nhau càng tốt; tất cả sự thay đổi nhiệt độ chung cả hai miếng đo nàysẽ được triệt tiêu và nó sẽ tự cân bằng nhiệt độ

b) Sự kết hợp các miếng đo:

Cầu Wheatstone cho phép kết hợp nhiều miếng đo hữu công Hình trêncho thấy bốn miếng đo được dán lên thanh mẫu Khi thanh mẫu bị kéo rakhỏi bởi lực P, những biến dạng tương tự sẽ là:

ν: hệ số Poisson

A: tiết diện ngang

E: Modun đàn hồi

Bốn miếng đo như vậy tạo thành cầu Wheatstone nên điện áp ở đầu ra sẽ là:

ευε

R3 R4

R2 R1

E

V

D

A Active

Dumm

R3 R4

R2 R1

V

Độ uốn của thanh mẫu sẽ được cầu Wheatstone cảm nhận vì các miếng

đo 1 và 3 ( cũng như 2&4) sẽ cộng các biến dạng có dấu nghịch với nhau vànhư thế sẽ tự triệt tiêu theo nhiệt độ Đây là nguyên lý được dùng thườngxuyên trong việc thiết kế các bộ cảm biến

4

VF

K =

CHƯƠNG II KHẢO SÁT CỔNG MÁY IN BỘ ADC 12 BIT & VÀ CÁC LINH KIỆN CÓ LIÊN QUAN

Giao tiếp với máy tính là việc trao đổi dữ liệu giữa máy tính với mộthay nhiều thiết bị ngoại vi Hai thiết bị ngoại vi quen thuộc của máy tính làbàn phím và màn hình Ngoài ra máy tính còn được bố trí thêm các đườnggiao tiếp đa năng khác nhau: giao tiếp nối tiếp (thông qua cổng COM), giaotiếp song song (cổng LPT) giao tiếp qua khe cắm (SLOT)

Ghép nối nối tiếp cho phép trao đổi thông tin giữa các thiết bị với nhautheo từng bit một Số liệu thường được gởi theo từng nhóm bit SDU (SerialData Unit) mà nó tạo thành một byte hay một từ Các thiết bị ngoại vi nhưPlotter, modem, mouse và printer có thể được ghép nối với PC qua cổng nốitiếp COM Các ghép nối của PC cho trao đổi nối tiếp đều theo tiêu chuẩnRS232C của EIA hoặc CCITT ở châu Aâu Về mặt kinh tế việc trao đổi thôngtin qua cổng nối tiếp là ít tốn kém nhưng về mặt kỹ thuật thì khá phức tạp.Giao tiếp qua khe cắm SLOT cũng phức tạp không kém đòi hỏi việc giacông thiết bị phải chính xác, hơn nữa việc tháo vỏ máy để gắn SLOT Cardsau mỗi lần đo là vấn đề khó chấp nhận

Giao tiếp qua cổng song song, dữ liệu truyền song song vì vậy tốc độtruyền song song thường cao hơn truyền nối tiếp (khoảng từ 40kB/s đến1MB/s) Hầu hết các máy tính đều trang bị cổng này Việc trao đổi thông tinmột cách dễ dàng

I KHẢO SÁT CỔNG MÁY IN:

Cổng này để dùng giao tiếp với máy in Đầu cắm có 25 chân và còn gọilà DB25 Bên trong có 3 thanh ghi có thể truyền số liệu và điều khiển máy

in, mỗi thanh ghi 8 bit Ba thanh ghi gồm:

• Thanh ghi dữ liệu (Data register):

Có địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản của máy in=378H

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

(PIN 2) (PIN 3) (PIN 4) (PIN 5) (PIN 6) (PIN 7) (PIN 8) (PIN 9)

• Thanh ghi trạng thái (Status register).(chỉ đọc):

D0,D1,D2: không sử dụng (thường để ở mức [ 1])

Có địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản +1=379H

• Thanh ghi điều khiển :

D5,D6,D7: không sử dụng(thường để ở mức [ 1])

Địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản + 2=37AH

Việc nối máy in với máy tính được thực hiện qua lỗ cắm DB25 ở phíasau máy tính Nhưng đây không chỉ la øchỗ nối với máy in mà khi sử dụngmáy tính vào mục đích đo lường và điều khiển thì việc ghép nối cũng thựchiện qua ổ cắm này Qua cổng này dữ liệu được truyền đi song song nên đôikhi còn được gọi là cổng ghép nối song song và tốc độ truyền dữ liệu cũngđạt đến mức là đáng kể Tất cả các đường dẫn của cổng này đều tương thíchTTL, nghĩa là chúng đều cung cấp một mức điện áp nằm giữa 0V và 5V.Bên cạnh 8 bit dữ liệu còn có những đường dẫn tín hiệu khác, tổng cộngngười sử dụng có thể trao đổi 1 cách riêng biệt với 17 đường dẫn, bao gồm

12 đường dẫn ra và 5 đường dẫn vào Bởi vì 8 đường dẫn dữ liệu D0-D7không phải là đường dẫn 2 chiều trong tất cả các loại máy tính, nên sau đây

ta sẽ thấy là D0-D7 chỉ sử dụng như là lối ra, các lối ra khác nữa là STROBE,

D6

PE

ERROR SLCT

1 2

D5 D7 D6 D4 D3 D2 D1 D0

STROBE (PIN 1)

AF (PIN 4) INIT (PIN 16) SLCTIN (PIN 17) IRQ

AUTOFEED (AF), INIT và SELECTIN (SLCTIN) Khi trao đổi thông tin vớimáy in các đường này đều có chức năng xác định.

• Các tín hiệu của đầu cắm DB25:

1 STR Mức tín hiệu thấp truyền dữ liệu tới máy in

II KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI ADC – KHẢO SÁT ADC ICL 7109:

A Kỹ thuật biến đổi ADC:

Biến đổi Analog – Digital là thành phần cần thiết trong việc xử lýthông tin và các chức năng điểu khiển sử dụng phương pháp số, tín hiệu thựctế thì ở dạng Analog Một hệ thống tiếp nhận dữ liệu giao tiếp A/D đểchuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để xử lý

1 Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC:

a Độ chính xác bất định do lượng tử hóa:

Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2n khoảng gián đoạn ở mỗimạch đổi n bit Các giá trị tương tự cùng một khoảng được biểu thị cùng nhịphân Do có một độ chính xác bất định ± ½ LSB (Least significant bit)

khoảng hẹp của điện áp tương tự vào ở định nghĩa trên được xem như làđiểm giữa khoảng.

Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tuyệt đối như định nghĩatrong điều kiện tràn khung đã được lấy chuẩn, vì các điểm rời trên đặc tínhchuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tương đối cũnglà độ phi tuyến

c Thời gian và tốc độ chuyển đổi:

Thời gian chuyển đổi: Thời gian chuyển đổi cần cho 1 lần chuyển đổihoàn toàn Đối với phần lớn mạch đổi, thời gian này gọi là nghịch đảo củatốc độ đổi, nếu không có thêm các trì hoãn của hệ thống Tuy nhiên trongmạch đổi có tốc độ cao, lần đổi mới được lệch bắt đầu trước khi lần đổi trướckết thúc nên thời gian đổi và tốc độ đổi khác nhau

2 Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC):

a Nguyên tắc mạch ADC:

Mạch biến đổi ADC (Analog Digital Converter) có bộ phận chính làmạch so sánh:

Do đó nhiệm vụ của mạch tạo ra mã số và mạch điều khiển logic là thửmột bộ hệ số nhị phân ai sao cho hiệu số điện áp vào chưa biết Va và trịnguyên lượng tử hóa sau cùng nhỏ hơn 1 LSB

Mạchtạo mã số Mã số raĐiện áp vào VR

Chuyển đổi điện áp tương tự liên tục sang mã nhị phân rời rạc:

Sự khác nhau giữa các mạch đổi là cách thức thay đổi điện áp mẫu VRđể xác định hệ số nhị phân ai

Điện áp tương tự chưa biết là Va và điện áp chuẩn là VR được nối ở haingõ vào của mạch so sánh Khi VR tăng từ 0 đến điện áp tương tự vào với saisố bằng sai số lượng tử hóa, lúc đó mạch tạo mã số ra có giá trị tương ứng vớiđiện áp vào chưa biết

+1/2 LSB

-1/2 LSB

Mạchtạo mã số Mã số raĐiện áp mẫu VR

i i a FS

b Mạch ADC dùng điện áp mẫu VR hình nấc thang:

• Dạng mạch cơ bản:

Để tạo điện áp mẫu nấc thang so sánh với điện áp vào dùng mạch ADCmà số nhị phân vào được lấy từ một mạch đếm lên như hình vẽ

+ -

t t

t

t

• Mạch ADC dùng mạch đếm lên xuống:

Nếu ngã ra của mạch so sánh cho thấy VR<Va mạch logic sẽ điều khiểnmạch đếm lên, còn ngược lại sẽ được điều khiển đếm xuống Nếu điện áp Vakhông đổi, VR sẽ tự dao động xung quanh Va với 2 trị số khác nhau 1 LSB.Khi Va thay đổi chậm, VR theo kịp Va khi đó số đếm của mạch là mã nhịphân tương ứng với trị tức thời của điện áp vào Nhưng nếu Va biến đổinhanh, VR sẽ không theo kịp Va thì số đếm của mạch đếm không phải là mãnhị phân mong muốn

c Mạch ADC lấy gần đúng kế tiếp SAR:

Các mạch đếm ở trên đều không được dùng trong thực tế Ở đây xétmạch đổi lấy gần đúng kế tiếp dùng cách đổi điện áp mẫu một cách hiệu quảhơn khiến số lần chuyển đổi ra mã số n bit chỉ mất n chu kỳ xung CK Mạchđổi gồm mạch so sánh, mạch ghi chuyển đặc biệt và mạch ADC

+ -

DAC n bit

Counter Up/Down

CKControl Ligic

VVa(t)

Mạch ghi chuyển đặc biệt được gọi là mạch ghi lấy gần đúng kế tiếp(Successive Approximation Register: SAR) là mạch có hợp luôn phần điềukhiển logic.

Khi có xung bắt đầu mạch SAR được đặt lệch về 0 Ngã ra của DACđược làm lệch ½ LSB để tạo đặc tính chuyển đổi, kế đến SAR đưa bit cónghĩa lớn nhất (MSB) lên 1, các bit khác bằng 0 Số nhị phân ra ở SAR đượcđưa vào mạch DAC

Nếu VR>Va (điện áp tương tự vào) ngã ra Vc của mạch so sánh mức [0]khiến SAR bỏ đi MSB (làm cho nó bằng 0)

Nếu VR<Va thì Vc ở mức cao khiến SAR giữ lại bit MSB (làm cho nóvẫn bằng 1) Tiếp theo, SAR đưa bit có nghĩa kế tiếplên 1 và được quyếtđịnh bởi cách thức như bit MSB ở trên Tiếp tục như vậy cho đến bit cuốicùng của SAR, lúc đó Va gần VR nhất

d Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đơn (Single ramp converter) :

Tín hiệu chuẩn từng nấc được tạo bởi mạch ADC có thể được thay thếbởi điện áp chuẩn dốc liên tục do mạch tạo tín hiệu dốc lên liên tục tạo ra

START

FF

Mạch tạo tín hiệu dốc lên

Mã số ra

CK

Ban đầu:

Mạch so sánh SS1 có V(-)=Va >V(+)=Voffset Ỵ ngã ra của SS1 là VC1=[0]

Mạch so sánh SS1 có V(+)=Voffset < V(-)=0 Ỵ ngã ra của SS1 là VC2=[0]

• Khi cho xung START đặt vào mạch đếm n bit về 0 và khởi động mạch

tạo tín hiệu dốc lên, VR từ giá trị hơi âm tăng đến khi đường dốc cắt trục

Tại cổng AND

-R Ổn định vào

Vr(t)

Hình b

R R

C

e Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đôi:

Mạch đổi này dùng cách lấy tích phân để giải quyết khuyết điểm củamạch đổi dùng tín hiệu dốc đơn Mạch này gồm mạch lấy tích phân, mạch sosánh, mạch logic điều khiển và mạch đếm n bit

-EOC

+

Mạchđếm n bit

+ -

Mạch logicđiều khiển

Đệm ngõ ra

Mạch so sánh

Mạch tíchphân

S1

S2

Mạch điều khiển logic sau khi nhận xung START sẽ mở SI, đóng S1 vàmở S2 Khi chuyển mạch S1 đóng đưa tín hiệu Va (giả sử âm) vào mạch tíchphân để lấy tích phân theo Va Khi đó ngã ra mạch tích phân sẽ là:

Ỵ VI(t) =V(-)SS >0 Vì thế ngã ra của mạch so sánh có VC=1

Do đó mở cổng AND cho xung CK vào mạch đếm

Khi mạch đếm tràn (hết cỡ rồi tự động quay về 0)

Mạch logic điều khiển mở S1, đóng S2 Chuyển mạch S2 đóng đưa VR vàomạch tính phân để lấy tích phân theo VR (VR>0) Vì thế ngã ra VI giảm từ

VImax về 0

- Giá trị V không đổi trong suốt 2 giai đoạn lấy tích phân t ,t

)0(V

.)

(

V

chậm

đổithay)

(V

sử

)

(

1)

RC a

V t

I

a V t a

t

dt t a

V RC

V RC

EOCVc

t

t

t

dốc lên lấy tích phân Va

dốc xuống lấy tích phân Vat1 t2

TcSTART

Giả sử R,C không đổi trong suốt thời gian chuyển đổi.

3 Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC:

a Độ chính xác bất định do lượng tử hóa:

-Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2n khoảng gián đoạn Ở mạch

đổi n bit Các trị tương tự cùng một khoảng được biểu thị cùng một mã số nhị

phân Do đó có một độ chính xác bất định ± ½ LSB bên cạnh các sai số

chuyển đổi khác Trong mạch tín hiệu dốc đơn sai số này thường được phát

biểu như ± một số đếm

b Độ chính xác:

Độ chính xác tuyệt đối là sự sai biệt giữa lý thuyết và trị thực tế của

điện áp tương tự vào cho một mã nhị phân ra Vì 1 mã số ra tương ứng với

một khoảng hẹp của điện áp tương tự vào nên điện áp tương tự vào ở định

nghĩa trên được xem như là điểm giữa khoảng

Sai số tuyệt đối gồm :sai số về độ lợi, về không, độ phi tuyến và do

nhiễu

Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tuyêt đối như định nghĩa

trong điều kiện trị tràn khung đã được lấy chuẩn vì các điểm rời trên đặc tính

chuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tương đối cũng

chính xác là độ phi tuyến

c Chỉnh không và chỉnh độ lợi:

Điểm không của mạch đổi ADC được chỉnh sao cho sự chuyển tiếp từ

các bit đầu bằng 0 lên LSB xảy ra ở ½.2-n trị tràn khung danh định

Độ lợi được chỉnh cho chuyển tiếp cuối cùng lên các bit đều bằng 1 xảy

ra tràn khung (1-3/2.2-n)

Điểm 0 của mạch chuyển đổi ADC lưỡng cực được chỉnh sao cho

chuyển tiếp đầu trên xảy ra ở toàn khung (1-2-n) và chuyển tiếp cuối xảy ra

0_+tràn khung (1-3.2-n)

khung)tràn

trịgiáđến0 từđếm hmạc(trong

2cùng);

sauđếm sốlàN(với

2

.2

n 1 2

n R a n

N

t

N V V

B.Khảo sát ADC ICL 7109:

Sơ đồ chân:

Các thông số về nhiệt độ:

B12 B11 B10

V+

REF CAP + REF IN +

IN HI OR

IN LO

1 2

4 5 6 7

37 36

33 3

ICL 7109

8

B9

40

35 39

34

COMMON

REF IN REF CAP -

-16 9

24 23 22

25 26 27

29 30 31

17

10 11 12 13 14 15

21

18 19 20

32

28

38

B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 TEST L.BEN H.BEN CE/LOAD

INT AZ BUF REF OUT V- SEND RUN/HOLD BUF OSC OUT OSC SEL OSC OUT OSC IN MODE

ICL 7109 (PDIP) TOP VIEW PIN OUTS

Đặc điểm:

+ ADC 12 bit nhị phân (cộng với bit cực tính và bit tràn) hoạt động theo

phương pháp tích phân hai độ dốc

+Ngõ ra 3 trạng thái tương thích TTL và với kiểu giao tiếp UART thì

phù hợp với giao tiếp song song hoặc giao tiếp với hệ thống vi xử lý

+Ngõ vào Run/Hold và Status được dùng để theo dõi và kiểm tra sự

chuyển đổi Mức nhiễu thấp khoảng 15 µVp-p

+ Dòng ngõ vào khoảng 1pA

+Hoạt động có thể lêâøn đến 30 lần biến đổi trong 1 giây

+Vi mạch bên trong sử dụng dao động thạch anh 3,58MHz sẽ cho 7,5

lần chuyển đổi trong 1 giây Ngoài ra nó có thể sử dụng dao động RC hoặc

bất cứ tần số xung đồng hồ khác để tạo dao động

MÔ TẢ:

ICL 7109 thuộc họ CMOS, chuyển đổi nhanh, nguồn nuôi thấp và được

thiết kế dễ dàng giao tiếp với vi xử lý

Ngõ ra dữ liệu(12 bit cộng 1 bit cực tính và 1 bit tràn) sẵn sàng giao tiếp

song song thông qua sự điều khiển của 2 ngõ vào ENABLE và CHIP

SELECT, kiểu giao diện UART sẽ cho phép ICL7109 làm việc với tiêu

chuẩn công nghiệp mà ở đó UART sẽ đóng vai trò truyền dữ liệu

Vi mạch ICL7109 có những ưu điểm như: độ chính xác cao, nhiễu

không đáng kể và trôi áp thấp đặc biệt rất kinh tế Ngoài ra nó còn có những

thông số khác như: trôi áp thấp hơn 1µV/oc, dòng vào tối đa 10pA và công

suất tiêu thụ 20mW… làm cho vi mạch này càng trở nên hấp dẫn

CHỨC NĂNG CÁC CHÂN:

CHÂN KÝ HIỆU CHỨC NĂNG

2 STATUS Ngõ ra lên mức cao trong suốt quá trình biến đổi cho đến khi

dữ liệu được chốt lại Ngõ ra xuống thấp khi tín hiệu đượcchuyển đổi xong

3 POL Báo cực tính – Mức 1 khi tín hiệu tương tự vào dương

4 OR Bit tràn - Mức 1 nếu tràn

Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng tháiBit dữ liệu ngõ ra 3 trạng tháiBit dữ liệu ngõ ra 3 trạng tháiBit dữ liệu ngõ ra 3 trạng tháiBit dữ liệu ngõ ra 3 trạng tháiBit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái

Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng tháiBit dữ liệu ngõ ra 3 trạng tháiBit dữ liệu ngõ ra 3 trạng tháiBit dữ liệu ngõ ra 3 trạng tháiBit dữ liệu ngõ ra 3 trạng tháiBit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái

17 TEST Bình thường mức cao Mức thấp thì tất cả các bit ngõ ra lên cao

dùng cho việc kiểm tra Nối lên cao nếu không dùng

18 LBEN Chân cho phép xuất byte thấp Cùng với MODE (Chân 21)

mức thấp và chân CE/LOAD (chân 20) mức thấp sẽ cho phépxuất các byte thấp từ B1 đến B8

19 HBEN Chân cho phép xuất Byte cao Kết hợp với chân MODE (21) ở

mức thấp và chân CE/LOAD ở mức thấp sẽ cho phép xuất Bytecao từ B9 Ỉ B12 và bit POL/OR

20 CE/LOAD Chân cho phép – Kết hợp với chân MODE (21) mức thấp có

tác dụng điều khiển cho phép ngõ ra Khi CE/LOAD ở mức caosẽ cấm các chân B1 đến B12, POL, OR

21 MODE Khi ngõ vào ở mức thấp – Các chân CE/LOAD, HBEN, LBEN

điều khiển trực tiếp các Byte ngõ ra Khi được cấp xung –chuẩn bị hoạt động theo kiểu “handshake”

Mức cao – Các chân cho phép CE/LOAD, HBEN, LBEN xemnhư các ngõ ra và vi mạch hoạt động theo “handshake”

22

23 OSC INOSC OUT Ngõ vào của dao độngNgõ ra của dao động

24 OSC SEL Chọn tần số dao động – Mức cao thì tần số và pha tại OSC IN,

OSC OUT bằng 1/58 tần số tại BUFF OSC OUT

OUT

Ngõ ra dao động đệm

HOLD Ngõ vào mức cao – Biến đổi được thực hiện trong 8192 xungđồng hồ

Ngõvào mức thấp – Quá trình biến đổi kết thúc

27 SEND Ngõ vào – Nối lên +5V nếu không dùng

29 REF OUT Điện áp ngõ ra chuẩn =2,8V

30 BUFFER Ngõ ra khuếch đại đệm

CHÂN KÝ HIỆU CHỨC NĂNG

34 INPUT LO Ngõ vào tương tự

35 INPUT HI Ngõ vào tương tự

36 REF IN + Điện áp chuẩn dương

37 REF CAP + Aùp dương trên tụ

38 REF CAP - Aùp âm trên tụ

39 REF IN - Điện áp chuẩn âm

CHỨC NĂNG CỤ THỂ CỦA CÁC CHÂN ĐIỀU KHIỂN:

- NGÕ VÀO MODE: Ngõ vào Mode dùng điều khiển trạng thái biếnđổi của ngõ ra khi chân Mode ở mức thấp thì các ngõ ra dữ liệu được truyxuất trực tiếp thông qua sự điều khiển của chân ENABLE và sự điều khiểnbên trong vi mạch Khi ngõ vào Mode được cấp xung thì sự chuyển đổi theokiểu UART sau đó trở về kiểu chuyển đổi trực tiếp Còn khi ngõ vào Mode ởmức cao dữ liệu ngõ ra chuyển đổi theo kiểu “HANDSHAKE”

- NGÕ RA STATUS:

Trong suốt chu kỳ biến đổi, ngõ ra STATUS lên mức cao từ lúc bắt đầuchuyển đổi và xuống mức thấp lúc nửa chu kì xung đồng hồ cuối cùng saukhi dữ liệu biến đổi được chốt lại

- NGÕ VÀO RUN/HOLD:

Khi ngõ vào RUN /HOLD ở mức cao, vi mạch sẽ tiếp tục thực hiện chukỳ biến đổi và cập nhật ngõ ra chốt suốt giai đoạn biến đổi Khi hoạt động ởmức nàymột chu kỳ biến đổi sẽ có 8192 xung

Khi RUN / HOLD ở mức thấp vi mạch lập tức biến đổi và nhảy về chế độAUTO-ZERO Đặc tính này dùng để cắt ngang thời gian biến đổi khi mức 0tác động Lúc này vi mạch chỉ chờ cho đến khi RUN/HOLD lại lên mức cao.khi RUN/HOLD lên mức cao lại thì sự biến đổi bắt đầu sau 7 chu kỳ xung

Sơ đồ cấu trúc bên trong của ICL 7109:

18 19 20

OSCILLATOR AND CLOCK CIRCUITRY

CONVERSION CONTROL LOGIC

LBEN HBEN CE/LOAD

SEND MODE

OSC SEL OSC OUT

OSC IN RUN/HOLD

OSC OUT

TEST

AZ INT

HIGH ODER BYTE OUTPUTS LOW ODERBYTE OUTPUTS

{

{