Điều khiển tốc độ là một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất. Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện làm việc mà
Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Chơng 4 Thiết kế card ghép nối A/D - D/A 4.1 Khái niệm chung Ngày nay việc gia công, truyền đạt tín hiệu cũng nh quá trình điều khiển và chỉ thị phần lớn đợc thực hiện theo phơng pháp số. Trong khi đó tín hiệu trong tự nhiên lại biến đổi liên tục theo thời gian, nghĩa là có dạng tơng tự. Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu tơng tự và các hệ thống xử lý số, ngời ta dùng các mạch chuyển đổi tơng tự - số (ADC - Analog Digital Converter) nhằm biến đổi tín hiệu tơng tự sang số hoặc dùng các mạch chuyển đổi số - tơng tự (DAC - Digital Analog Converter) trong trờng hợp cần biến đổi tín hiệu số sang tơng tự. 4.2 Chuyển đổi tơng tự - số (ADC Analog Digital Converter) 4.2.1 Nguyên tắc làm việc của ADC Nguyên lý làm việc của ADC đợc minh hoạ trên sơ đồ khối. Hình 5.1: Sơ đồ khối nguyên tắc làm việc của ADC Tín hiệu tơng tự UA đợc đa đến mạch lấy mẫu, mạch này có hai nhiệm vụ: Lấy mẫu những tín hiệu tơng tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều. Thực chất đây là quá trình rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian. Giữ cho biên độ tín hiệu tại các thời điểm lấy mẫu không thay đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo ( quá trình lợng tử hoá và mã hoá). Quá trình lợng tử hoá Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng thực chất là quá trình làm tròn số. Lợng tử hoá đợc thực hiện theo nguyên tắc so sánh tín hiệu cần chuyển với các tín hiệu chuẩn. Mạch lợng tử hoá làm nhiệm vụ rời rạc tín hiệu tơng tự về mặt biên độ. Trong mạch mã hoá, kết quả lợng tử hoá đợc xắp xếp lai theo một quy luật nhất định phụ thuộc loại mã yêu cầu ở đầu ra bộ chuyển đổi. Nhiều loại ADC , quá trình lợng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thời, lúc đó không thể tách rời hai quá trình , phép lợng tử hoá và mã hoá đợc gọi chung là phép biến đổi AD. 4.2.2 Các tham số cơ bản của ADC Các tham số cơ bản của bộ biến đổi ADC gồm dải biến đổi của điện áp tơng tự ở đầu vào, độ chính xác của bộ chuyển đổi, tốc độ chuyển đổi. - Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tơng tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà số từ 0 đến một số dơng hoặc số âm nào đó, hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính: -UA ữ+UA. - Độ chính xác của ADC: Tham số đầu tiên đặc trng cho độ chính xác của ADC là độ phân giải. Tín hiệu ở đầu ra của một ADC là các giá trị đợc sắp xếp theo một quy luật của một loại mã nào đó. Số các số hạng của mã số đầu ra ( số bits trong từ mã nhị phân) tơng ứng với giải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi. Ví dụ một ADC có số bits ở đầu ra là n = 8 thì sẽ phân biệt đợc 28 mức trong dải biến đổi điện áp vào của nó. Nh vậy trong thực tế dùng số bits để đánh giá độ chính xác của một ADC khi giải biến đổi điện áp vào là không đổi. Liên quan đến độ chính xác của một ADC còn có các tham số khác nh: méo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không, sai số lợng tử hoá. - Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, đợc gọi là tần số chuyển đổi fc. Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi Tc để đặc trng cho tốc độ chuyển đổi. Với một ADC thờng thì fc < 1/Tc vì giữa các lần chuyển đổi phải có một thời gian cần thiết để ADC phục hồi lại trạng thái ban đầu. Một ADC có tốc độ chuyển đổi cao thì độ chính xác giảm và ngợc lại. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng - 4.2.3 Các phơng pháp chuyển đổi tơng tự - số Có nhiều cách phân loại ADC, nhng hay dùng hơn cả là phân loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian. Trong đồ án này chỉ giới thiệu một số phơng pháp điển hình. 4.2.3.1 Chuyển đổi A/D theo phơng pháp song song Nguyên tắc hoạt động. Tín hiệu tơng tự UA đợc đồng thời đa đến các bộ so sánh từ S1 đến Sm. Điện áp chuẩn Uch đợc đa đến đầu vào thứ 2 của các bộ so sánh qua thang điện trở R. Do đó các điện áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lợng không đổi và giảm dần từ S1 đến Sm. Đầu ra của các bộ so sánh có điện áp lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở có mức logic "1", các đầu ra còn lại có mức logic "0". Các đầu ra của mạch so sánh đợc nối với mạch AND, một đầu mạch AND đợc nối với mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung nhịp đa đến đầu vào AND thì các xung trên đầu ra của bộ so sánh mới đa vào mạch nhớ Flip_Flop (FF). Nh vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng chu kỳ xung nhịp lại có một tín hiệu đợc biến đổi và đa đến đầu ra. Xung nhịp đảm bảo quá trình so sánh kết thúc mới đa xung nhịp vào bộ nhớ. Bộ mã hoá sẽ biến đổi tín hiệu và dới dạng mã đếm thành mã nhị phân. Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh nên đợc gọi là ADC nhanh nhng kết cấu của mạch rất phức tạp ví dụ nh ADC n bits cần phải dùng -1 bộ so sánh. Vì vậy phơng pháp này chủ yếu dùng trong các ADC có tốc độ chuyển đổi cao nhng số bit nhỏ. n2 Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi A/D theo phơng pháp song song. 4.2.3.2 Chuyển đổi A/D theo phơng pháp bù Hình 5.3: Mạch nguyên lý A/D theo nguyên tắc bù Tại thời điểm ban đầu bộ đếm đợc đặt ở trạng thái không bởi xung Cl, nh vậy đầu ra của nó cũng có tín hiệu không. Mạch so sánh thiết lập giá trị một tín hiệu nhịp H qua cổng AND đợc đa vào mạch đếm. Mạch đếm làm việc cho ra tín hiệu số từ Q0Qm-1 đồng thời Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng qua bộ biến đổi D/A sẽ có điện áp U0 cho đến khi U0 UA thì bộ so sánh lật giá trị, đầu ra của nó có giá trị 0 cổng AND sẽ khoá và bộ đếm sẽ dừng. Trên đầu ra bộ đếm Q0Qm-1 ở dạng số tỉ lệ với điện áp vào UA, số này đợc xếp vào bộ ghi. Tiếp theo bộ đếm đợc xoá và chuẩn bị cho chu kỳ biến đổi tiếp theo. Sau mỗi chu kỳ bộ ghi sẽ ghi số liệu mới của bộ đếm. Nếu nh bộ đếm nhị phân có m bits thì điện áp vào cực đại UmaxA: 12UmAmax= Điện áp UA đợc lợng tử theo gia số: 12UUmAmaxA= Điện áp UA đợc diễn tả bằng phơng trình. N.12UUmAmaxA= Trong đó N là tổng số bớc của bộ đếm và dung lợng của nó đầy sau khi kết thúc qúa trình đếm. Thời gian biến đổi nAfNT = Trong đó fn là tần số xung nhịp. Thời gian biến đổi phụ thuộc độ lớn điên áp. Tốc độ thay đổi điện áp có thể đạt giá trị cực đại. nmmaxAnmmaxAAmaxAf12UNf.12N.UTUdtdU=== Nếu tốc độ biến đổi điện áp UA lớn hơn tốc độ cực đại thì phát sinh sai số động của bộ biến đổi. Sai số tĩnh của bộ biến đổi là sai số lợng tử U. Để giảm thời gian biến đổi, ở bộ đếm nhị phân ta sử dụng mạch điều khiển chơng trình. 4.2.3.3 Bộ biến đổi A/D theo nguyên tắc servo Bộ biến đổi này có ba phần tử cơ bản: mạch so sánh, mạch đếm hai chiều và bộ biến đổi D/A. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Hình 5.4: Mạch biến đổi A/D theo nguyên tắc servo. Tín hiệu điện áp vào UA so sánh với điện áp ra D/A. Nếu UA > U0 thì bộ biến đếm đếm theo chiều tiến. Nếu UA < U0 thì bộ đếm đếm theo chiều lùi cho đến khi UA = U0 thì bộ đếm dừng, tơng tự nh cơ cấu servo. Tuy vậy tốc độ biến đổi điện áp vào UA luôn luôn phải nhỏ hơn tốc độ của bộ đếm và bộ biến đổi D/A. Nên thời gian biến đổi phụ thuộc vào tần số xung nhịp fH và phản ứng của bộ so sánh. 4.3 Chuyển đổi số tơng - tự (DAC Digital Analog Converter) 4.3.1 Nguyên tắc làm việc của DAC Chuyển đổi số tơng tự là quá trình tìm lại tín hiệu từ n số hạng (n bits) đã biết của tín hiệu số. Bộ chuyển đổi số tơng tự (DAC) tiếp nhận một mã số n bits song song ở đầu vào và biến đổi thành tín hiệu liên tục ở đầu ra. Tín hiệu đầu ra của DAC. Um là tín hiệu rời rạc theo thời gian. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Hình 5.6: Tín hiệu ra bộ ADC theo thời gian. Tín hiệu này đợc đa qua bộ lọc thông thấp. Đầu ra của bộ lọc là tín hiệu tơng tự UA biến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của Um. Vậy bộ lọc thông thấp đóng vai trò là bộ nội suy. 4.3.2 Các đặc tính quan trọng của DAC - Độ phân giải: liên quan đến số bit của một DAC. Nếu số bit là m thì số trạng thái tín hiệu của số nhị phân đa vào là 2n và tín hiệu ra sẽ có 2n mức khác nhau, do đó độ phân giải là 1/ 2n. Độ phân giải càng bé thì tín hiệu đầu ra có dạng liên tục gần với thực tế. - Độ tuyến tính: Trong một DAC lý tởng sự tăng tín hiệu số ở đầu vào sẽ tỷ lệ với sự tăng tín hiệu số ở đầu ra. - Độ chính xác của một DAC cho biết sự khác biệt giữa trị số thực tế của UA và trị số lý thuyết cho bởi một giá trị bất kỳ của tín hiệu số ở đầu vào. Sự sai khác này càng nhỏ thì độ chính xác càng cao. - Thời gian thiết lập: Khi tín hiệu số ở đầu vào của một DAC thay đổi, tín hiệu ở đầu ra không thể thay đổi ngay lập tức mà phải sau một khoảng thời gian nào đó gọi là thời gian thiết lập. Thời gian thiết lập phản ánh tính tác động nhanh của một DAC. 4.3.3 Một số mạch DAC điển hình 4.3.3.1 Biến đổi DAC với mạng điện trở trọng lợng Mạch gồm một nguồn điện áp chuẩn Uch, các bộ chuyển mạch và điện trở có giá trị R, R/2, R/4 . và một mạch khuếch đại thuật toán. Sơ đồ nguyên lý hình 5.7 Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý biến đổi D/A với mạng điện trở trọng lợng. Khi một khoá điện nào đó đợc nối với nguồn điện thế chuẩn thì sẽ cung cấp cho bộ khuếch đại thuật toán dòng điện cờng độ là: ichi2.RUI = ( i = 0 n-1). Cờng độ dòng điện này độc lập với các khóa còn lại, có thể thấy ngay bằng biên độ điện áp Ura phụ thuộc vào chỗ khoá nào đợc nối với Uch tức là phụ thuộc vào giá trị của bit tơng ứng trong tín hiệu số đa vào mạch chuyển đổi. Mạch có u điểm là đơn giản, nhng nhợc điểm là độ chính xác và tính ổn định của kết quả phụ thuộc nhiều vào trị số của các điện trở và khả năng biến thiên nh nhau theo môi trờng của các điện trở này. Chế tạo các điện trở theo đúng tỉ lệ chính xác nh vậy thờng khó khăn và tốn kém. Ngoài ra Ura còn phụ thuộc vào cả độ chính xác và tính ổn định của nguồn điện áp chuẩn. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng 4.3.3.2 Bộ biển đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R Hình 5.8: Sơ đồ biến đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R DAC với thang điện trở R - 2R khắc phục đợc một số nhợc điểm của DAC mạng điện trở trọng lợng. Mạch chỉ gồm hai loại điện trở R và 2R với nhiều chuyển mạch ( mỗi chuyển mạch cho 1 bit) và một nguồn điện áp chuẩn Uch. Đại lợng cần tìm là Ith vào mạch khuếch đại khi có một số chuyển mạch nối với Uch. Lúc đó ta có: fthraR.IU =. Xét tại chuyển mạch tơng ứng với bit thứ i, nút tơng ứng trên mạch là nút 2i. Khi bộ chuyển đổi đóng vào Uch thì điện thế tơng đơng tại nút 2i sẽ là Uch/ 2 và nguồn tơng đơng có nội trở là R (theo định lý Thevenin). Nh vậy tại nút 2i+1 ta có nguồn tơng đơng trị số là Uch/ 4 và nội trở là R. Từ những kết quả trên ta suy ra rằng khi di chuyển về phía mạch khuếch đại thuật toán điện thế tại mỗi nút bằng nửa trị số của nút kế cận bên trái nó. Nh vậy nếu từ nút thứ 2i đến nút 2n-2 có k nút (kể cả nút thứ 2n-2) thì điện thế tại nút 2n-2 do chuyển mạch 2i gây ra là Uch/ 2k và dòng điện tơng ứng là Uch/(2k.2R). Tại nút 2n-1 do đặc tính của khuếch đại thuật toán mà điện thế tại đây đợc coi là 0V. Tóm lại, một cách tổng quát ta có công thức để tính điện áp ra của một DAC n bit (từ B0 ữ Bn-1) với mạng điện trở R - 2R. ()002n2nin1nnfchraB2 .B2B2R2RUU +++= Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Trong đó B0 ữ Bn-1 có giá trị 0 hoặc 1. Các DAC theo phơng pháp này phải dùng số điện trở khá lớn, ví dụ nh DAC n bit thì phải dùng 2(n-1) điện trở, trong khi theo phơng pháp điện trở trọng lợng chỉ phải dùng n điện trở. Nhng bù lại nó không rắc rối vì chỉ cần dùng có 2 loại điện trở mà thôi. Nên độ chính xác và tính ổn định của tín hiệu ra đợc đảm bảo. 4.4 Thiết kế card chuyển đổi AD - DA 4.4.1 Lựa chọn ADC và DAC trong phơng án thiết kế DAC dùng để chuyển đổi tín hiệu số từ máy tính thành tín hiệu tơng tự điều khiển động cơ. Mạch có vòng phản hồi dùng máy phát tốc (FT) có trục gắn liền với trục động cơ. Điện áp lấy ra từ máy phát tốc qua ADC đa vào máy tính để tự động ổn định tốc độ của động cơ trong quá trình làm việc. Hình 5.9: Sơ đồ nguyên tắc phối ghép máy tính điều khiển động cơ một chiều. Trong sơ đồ có sử dụng ADC và DAC, vì vậy vấn đề đầu tiên khi thiết kế card chuyển đổi là lựa chọn ADC và DAC nh thế nào để vừa đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật đề ra lại vừa đảm bảo tính khả thi của phơng án thiết kế (giá thành của card vừa phải, các linh kiện lắp ráp có sẵn ở thị trờng Việt Nam). Trong thực tế khi thiết kế ta cần phải chú ý đến các tham số cơ bản của các linh kiện. Việc thiết kế card chuyển đổi là sử dụng các ADC và DAC đã đợc chế tạo sẵn cùng với các IC chức năng khác để lắp ráp thành mạch nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Để làm căn cứ cho việc lựa chọn ADC và DAC thì cần phải đặc biệt quan tâm đến độ chính xác của nó. Tham số đặc trng cho độ chính xác của ADC, DAC là độ phân giải có liên quan chặt chẽ đến số bit của nó. [...]... 2(n-1) điện trở, trong khi theo phơng pháp điện trở trọng lợng chỉ phải dùng n điện trở. Nhng bù lại nó không rắc rối vì chỉ cần dùng có 2 loại điện trở mà thôi. Nên độ chính xác và tính ổn định của tín hiệu ra đợc đảm bảo. 4. 4 ThiÕt kÕ card chun ®ỉi AD - DA 4. 4.1 Lựa chọn ADC và DAC trong phơng án thiết kÕ DAC dïng ®Ĩ chun ®ỉi tÝn hiƯu sè tõ máy tính thành tín hiệu tơng tự điều khiển động cơ. ... biến đổi 150ns. - Tiêu thụ năng lợng ít: 33mW ( 5V). - Dải điện áp đầu vào số: - 10V ữ +18V - Cổng vào không đảo giao tiếp đợc với TTL và CMOS. 4. 4.3.3 Vi mạch giải mà địa chỉ 74LS138 Hình 5.13: Sơ đồ 74LS138 Bảng chân lý chỉ ra chỉ có một trong tám đầu ra của vi mạch giải mà có mức logic 0 tại một thời điểm. Để cho phép vi mạch hoạt động đợc thì 3 đầu vào cho phÐp E 1 , E 2 , E 3 ph¶i cïng... vùng vào ra của một Card mở rộng không đợc phép bao trùm lên vùng địa chỉ vào ra của máy tính. Bản đồ địa chỉ sau đây sẽ chỉ ra từng vùng địa chỉ riêng biệt phục vụ cho các mục đích khác nhau. Điạ chỉ vào/ra (Hex) Chức năng 000 - 00F Bộ điều khiển DMA 1(8232). 020 021 Bộ điều khiển ngắt (8259). 040 – 043 Bé ph¸t thêi gian (82 54) . 060 – 063 Bé kiĨm tra bµn phÝm (8 242 ). 070 - 07F §ång hå... là phép biến đổi AD. 4. 2.2 Các tham số cơ bản của ADC Các tham số cơ bản của bộ biến đổi ADC gồm dải biến đổi của điện áp tơng tự ở đầu vào, độ chính xác của bộ chuyển đổi, tốc độ chuyển đổi. - Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tơng tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà số từ 0 đến một số dơng hoặc số âm nào đó, hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính: -U A ữ+U A . - Độ chính xác của ADC:... mức logic 1. Khi 74LS138 hoạt động các đầu vào địa chỉ A, B, C chọn đầu ra nào thì đầu ra đó trở thành mức thấp. Bảng chân lý của vi mạch giải mà 74LS138. Đầu vào cho phép Đầu vào địa chỉ Đầu ra giải m Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý biến đổi D/A với mạng điện trở trọng lợng. Khi một khoá điện nào đó đợc nối với nguồn điện thế chuẩn thì sẽ... 74LS85 Bộ so sánh 4 bits này thực hiện việc so sánh các mà nhị phân. Thiết bị này hoàn toàn có thể mở rộng đến bất kỳ số lợng bit nào mà không cần thêm các cổng ngoài. Các bit dài hơn có thể đợc so s¸nh b»ng c¸ch nèi tiÕp c¸c bé so s¸nh. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng - Độ chính xác 0,19%. - Dải điện áp cung cấp 4, 5V ữ 18V. - Thời gian biến đổi 150ns. - Tiêu thụ năng... tín hiệu tơng tự điều khiển động cơ. Mạch có vòng phản hồi dùng máy phát tốc (FT) có trục gắn liền với trục động cơ. Điện áp lấy ra từ máy phát tốc qua ADC đa vào máy tính để tự động ổn định tốc độ của động cơ trong quá trình làm việc. Hình 5.9: Sơ đồ nguyên tắc phối ghép máy tính điều khiển ®éng c¬ mét chiỊu. Trong s¬ ®å cã sư dụng ADC và DAC, vì vậy vấn đề đầu tiên khi thiết kế card chuyển... Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Trớc khi tìm hiểu nguyên lý hoạt động của Card ta cần quan tâm ®Õn mét sè vÊn ®Ò sau: 4. 6.1 Mét sè tÝn hiệu cơ bản của máy tính đa ra Card - Reset: Sau khi bật máy tính, đờng dẫn reset sẽ kích hoạt trạng trong thời gian ngắn để đa Card đến một trạng thái xác định. - IOW (Input, Output, Write) tín hiệu này sẽ kích hoạt truy nhập ghi lªn mét Card më réng. -. .. Card. - 300H: Địa chỉ cho phép 74LS373 (1) chọn lựa các đầu vào analog (IN0ữ IN7). - 301H: Địa chỉ cho phép ADC 0809 hoạt động. - 302H: Địa chỉ của DAC thứ nhất (out 1). - 303H: Địa chỉ của DAC thứ hai ( out2). 4. 6.3 Nguyên lý hoạt động của Card Khi thu thập tín hiệu máy tính đa tín hiệu chọn kênh qua 8 đờng dữ liệu từ (D0 ữ D7). Sau đó máy tính đa địa chỉ của 74LS373 (1) qua 20 đờng địa chỉ... 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 4. 4.3.2 Vi mạch chuyển đổi số - tơng tự DAC 0808 Hình 5.12: Sơ đồ DAC 0808 DAC 0808 là bộ biến đổi số - tơng tự 8 bits với thời gian đa dòng ra lớn nhất là 150 ns trong khi chØ tiªu thơ 33mW víi ngn 5V. Các thông số của vi mạch: Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Hình 5 .4: Mạch biến đổi A/D theo nguyên tắc servo. Tín hiệu điện . - 00F Bộ điều khiển DMA 1(8232). 020 021 Bộ điều khiển ngắt (8259). 040 043 Bộ phát thời gian (82 54) . 060 063 Bộ kiểm tra bàn phím (8 242 ). 070 -. tính để tự động ổn định tốc độ của động cơ trong quá trình làm việc. Hình 5.9: Sơ đồ nguyên tắc phối ghép máy tính điều khiển động cơ một chiều. Trong