Đồ án Vi mạch tương tự và vi mạch số

LỜI NÓI ĐẦUNhư chúng ta đã biết, ngày nay khi mà công nghệ sản xuất linh kiện điện tử được nâng nao thì những đồ điện tử ngày càng thu nhỏ về kích thước điều đó đồng nghĩavới các vi mạch

Thời gian thực hiện:

Ngày giao đề :10/10/2017

Ngày hoàn thành :05/12/2017

Thời gian bảo vệ dự kiến:10/12/2017

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết, ngày nay khi mà công nghệ sản xuất linh kiện điện tử được nâng nao thì những đồ điện tử ngày càng thu nhỏ về kích thước điều đó đồng nghĩavới các vi mạch số ngày càng được dùng nhiều và thể hiện tầm quan trong của nó.Bây giờ khi nhắc tới điều khiển chúng ta liên tưởng tới độ chính xác, tốc đọ xử lí

và thuật toán thông minh đồng nghĩa với chất lượng cao hơn.Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID được úng dụng khá rộng rãi, giải pháp không thể thiếu cho các ứng dụng Analog cũng như Digital Môn học Vi mạch tương tự & Vi mạch số đã mang đến những kiến thức cơ bản đầutiên cho sinh viên chúng em về Vi mach tương tự và Vi mạch số Đồ án của chúng

em được giao là:“Thiết kế mạch điều khiển PID cho đối tượng bậc 3” Qua đồ

án này chúng em đã nắm bắt được cách thiết kế cơ bản 1 bộ PID bằng khuếch đại thuật toán và sử dùng thành thạo phương pháp tổng thời gian của Kuln để xác lập tham số cho bộ PID

để thực hiện đề tài này

Với một sinh viên năm thứ 3, khi mà lí thuyết cũng như kiến thức thực nghiệm cònchưa có nhiều thì đề tài này thực sự khó nhưng rất bổ ích với chúng em Tuy nhiên trong quá trình thực hiện, với kiến thức ít ỏi của mình thì chúng em khó có thể tránh khỏi những sai xót cũng như nhầm lẫn, nên chúng em mong quý thầy cô góp

ý để chúng em có thể hiểu rõ hơn vấn đề

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Nhóm 6_Điện 1_K10

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



MỤC LỤC

PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu về bố cục nội dung:

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch KĐTT và mạch PID

Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển đối tượng bậc 3 với bộ điều khiển PIDChương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng

CHƯƠNG I:MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ MẠCH PID

I. MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

1. Mạch khuếch đại thuật toán lí tưởng

2. Mạch khuếch đại thuật toán không lí tưởng

II. MẠCH TỈ LỆ - TÍCH PHÂN – VI PHÂN

1. Mạch PID cơ bản

2. Mạch PID thường dùng

- Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện và công suất

- Tính ưu việt của bộ KĐTT: tác dụng của mạch điện có bộ KĐTT có thể thayđổi được dễ dàng bằng việc thay đổi các phần tử mạch ngoài(coi như bộ KĐTT là hộp đen)

- Để thực hiện được điều đó, bộ KĐTT phải có những đặc tính sau đây:

- Xét 2 trường hợp:KĐTT lí tưởng và KĐTT không lí tưởng

1. MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÍ TƯỞNG

-Hình 1 Kí hiệu và các chân ra của KĐTT

- Các chân ra cơ bản của KĐTT:

+

+

In:ngõ vào không đảo, kí hiệu(+), tín hiệu là

+ IU

+

−

In:ngõ vào đảo, kí hiệu(-), tín hiệu là

− IU

+ Out:ngõ ra, tín hiệu cửa ra kí hiệu là Uo

+ +Ucc

:ngõ cấp nguồn dương

+ −Ucc

:ngõ cấp nguồn âmCác cửa vào được gọi là các cửa vào vi sai

+ Hệ số khuếch đại vòng hở K0=∞

+ Điện áp cửa ra UO=0[ ]V

;khi

+ I

U

=

− IU

- Trong thực tế kĩ thuật không có bộ KĐTT lí tưởng.Để đánh giá các bộ KĐTT thực so với KĐTT lí tưởng người ta căn cứ vào các thông số của IC KĐTT thực với các thông số lí tưởng trên.Nhưng trong thiết kế các mạch điện tử đơn giản vẫn có thể coi các IC KĐTT thực được sử dụng như là IC KĐTT lí tưởng

- Mạch điện tương đương KĐTT lí tưởng:

+ Sơ đồ(xem hình 1.2):

Hình 1.2:Sơ đồ tương đương của KĐTT lí tưởng

1.2 Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT

a. Mạch khuếch đại đảo

Hình 1.3:Sơ đồ mạch khuếch đại đảo với KĐTT

+ Tín hiệu vào cần khuếch đại I

U

được đưa đến cửa vào đảo

−

In

+ Tên gọi các kí hiệu: F

R

-điện trở nối đất với cửa vào không đảo

+

In

- Các biếu thức tính toán:

+ Vì

∞

=I

UUR

UU

F

I O 1

IR

UR

luôn ngược dấu nhau

+ Hệ số khuếch đại của mạch U

- Điện trở cửa vào mạch khuếch đại đảo:

+ Điện trở tương đương lối vào I

I

I i

U

R =

Vì điện trở cửa vào của KĐTT

vô cùng lớn, vậy dòng điện chảy qua nó bằng 0, nghĩa là điện áp tại

cửa vào bằng 0, nên ta có: 1

+ Tín hiệu ra và tín hiệu vào mạch khuếch đại không đảo luôn cùng dấu nhau

+ Hệ số khuếch đại của mạch U

K

giảm so với 0

K

của KĐTT

+ Nhưng hệ số KĐTT chỉ phụ thuộc vào giá trị các phần tử mạch

- Điện trở của vào mạch khuếch đại không đảo:

+ Ta cần tìm điện trở tương đương lối vào của mạch I I I

i/ U

- Một ứng dụng thường dùng của mạch khuếch đại không đảo:

I

U

O

U OP

Hình 1.6:Sơ đồ cấu trúc KĐTT không lí tưởng

- Tầng 1gọi là tầng vào,là khuếch đại phải đảm bảo:

+ Dòng điện cửa vào rất nhỏ

+ Điện trở cửa vào lớn

+ Độ trôi nhỏ

+ Đặc tính động tốt

+ Có khả năng bù lệch 0 từ mạch ngoài

- Tầng 2 cũng là khuếch đại vi sai

- Các tầng trung gian: Tầng 3 và Tầng 4 có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đủ lớn cung cấp cho tầng cuối

+ Tầng 3 là bộ lặp êmitơ và dịch mức

+ Tầng 4 là tầng khuếch đại kiểu chung êmitơ với hệ số KĐ rất lớn

- Tầng 5 là tầng công suất, có nhiệm vụ tạo được dòng điện ra lớn, điện trở cửa ra nhỏ Đây thường là mạch đẩy kéo, là việc ở chế độ AB

- Có mạch bảo vệ ngắn mach

- Các IC KĐTT thông dụng hiện nay thường có:

+ Độ trôi dòng điện và điện áp nhỏ

+ Trong mạch có thế có mạch khuếch đại điều chế

+ Mỗi IC có thể có đến 20 tranzito lưỡng cực và tranzito trường

+ Nguồn cấp đối xứng ±Ucc

- Các ứng dụng:

Chỉ dùng khuếch đại tín hiệu có công suất nhỏ, tần số không vượt quá 1kHz

2.2 Các thông số đặc trưng của vi mạch KĐTT

a. Hệ số khuếch đại điện áp vòng hở(mạch không có hồi tiếp)

- Kí hiệu là O

K

- Công thức

− + −

=

I I

O

UK

Ω )10(103÷ 6

.

c. Tổng trở ngõ ra là O

Z( hoặc O

r

) là tổng trở của mạch nhìn từ ngõ

ra Có giá trị rất nhỏ, từ vài chục đến vài trăm Ω

.

d. Dòng điện phân cực cửa vào là B

i

, là dòng điện trung bình đến 2 cửa vào đủ để các tranzito cửa vào làm việc bình thường.Độ lớn của dòng điện này cỡ 1μ A

e. Nguồn điện cung cấp:nguồn một chiều đối xứng, có giá trị từ

15V3V÷±

h. Điện áp lệch ở ngõ vi sai:Gía trị điện áp vi sai khi điện áp cửa ra bằng 0

i. Điện áp chuyển dịch cửa ra:là giá trị điện áp cửa ra vẫn tồn tại khi điện áp các cửa vào vi sai bằng 0

j. Dải tần số cho phép:Dải tần số cho phép của KĐTT cỡ 1MHz

0 g

f kHz

U (f)O

O

U (f =0)

1 0,707

f

fHình 1.7:Đồ thị mô tả dải tần số cho phép của KĐTT không lí tưởng

k. Tốc độ quét:là biến thiên cho phép của O

T1 T 2 3

C

30p

Mạch ổn dòng điện Mạch ổn dòng điện

Tầng ra (kiểu bù)

# T1,T2,T3,T4:lắp đặt theo kiểu Kascode để tăng khả năng KĐ dòng điện

# T8,T9:tạo lập bộ ổn định dòng điện cho tầng vào

Có hệ số KĐ cỡ (102÷103 )

lần

#T5,T6,T7:mạch KĐ vi sai đối xứng ở cửa vào, không đối xứng ở cửa ra

+ Tầng thứ 2:

#T16,T17:mạch Dalington: điện trở vào lớn,KĐ lớn (cỡ 50dB)

+ Tầng ra gồm:

#T14,T20:tạo thành mạch công suất, mắc theo kiểu bù

#T15,T19,R10,R11:lập bộ hạn chế dòng điện, bảo vệ ngắn mạch cửa ra

#T18,R6,R7:lập bộ định mức để dòng điện tĩnh mạch ra ổn định

#R5:quy định dòng điện tĩnh toàn mạch

#C1:là tụ bù tần số(để có suy giảm -20dB trong khoảng tần số từ (5÷10 )

Hz

3.2 Hình dạng và chức năng các chân mạch tích hợp KĐTT μ A741

5 6

7 8

Hình 1.9:Sơ đồ và chức năng các chân bộ KĐTT µ.A741

- Tên gọi và chức năng các chân:

+ Chân 1:Bù tần số

+ Chân 2:Cửa vào đảo

+ Chân 3:Cửa vào không đảo

+ Chân 4:Nguồn cung cấp âm

+ Chân 5:Bù tần số

+ Chân 6:Cửa ra

+ Chân 7:Nguồn cung cấp dương

+ Chân 8:Không sử dụng

3.3 Các phương pháp cân bằng điểm 0

a. Điều chỉnh điện áp bù ở một ngõ vào

In

-+

In

1 3

+ Xê dịch con trượt biến trở sẽ đạt được

II. MẠCH TỈ LỆ-TÍCH PHÂN-VI PHÂN(MẠCH PID)

1. Mạch PID cơ bản

- Sơ đồ (xem hình 2.1)

D P

UI

O

U OP

1o

dUCR

U

F

I 1 1

1 1

I +

) (2-2)

+ Thay (2-2) vào (2-1) ta được:

1 1

I F O

+ CF

1

dUCR

1 1

1 1

F

C

CR

1

dUC

1 F

(2-3)Thành phần Thành phần Thành phần

(p)

KU

=

F 1 F

1 F

1

1 1 F

pC

R 1C

R

CRCR

++

+

+ Kí hiệu: 1 1 1

TC

= 1/ ω1

2 F

F 1

2 1

2 2

#Khi: 2

ω

<ω< ω1,các thành phần 1 và 3 ở tử số (2-4) sẽ bỏ qua,vậy còn:

KU

2 1CR

)T(T+

pTT

(Mạch tác động như khâu vi phân)Vậy ta có hình dạng đặc tính tần số logarit gần đúng như trên hình 2.1b

- Nhận xét:Từ đặc tính tần số ta thấy,với nhiễu có tần số cao và thấp đều cóthể dẫn đến sự không ổn định của mạch.Do đó mạch PID cơ bản ít được sửdụng

2. Mạch PID thường dùng

- Sơ đồ (xem hình 2.2)

C F 2

Hình 2.2:Mạch tỉ lệ-tích phân-vi phân thường dùnga.Sơ đồ nguyên lí b.Đặc tính tần sô logarit

3 2 R C

1

f =

F F

2 2 R C

1f

π

=

1 1

1 2 RC

1f

π

=

1 2

0 2 R C

1f

:hạn chế hệ số khuếch đại ở tần số thấp

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG BẬC

3 VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

1. KHÁI QUÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Tên gọi PID là chữ viết tắt của 3 thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển

gồm:Khâu khuếch đại(P), Khâu tích phân(I) và Khâu vi phân(D)

PID là một bộ điều khiển hoàn hảo gồm 3 tính chất khác nhau:

+ Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao(tỉ lệ)

+ Làm việc có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ(tích phận)

+ Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ(vi phân)

2. SƠ ĐỒ KHỐI BỘ ĐIỀU CHỈNH PID

Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lí hồi tiếp

Lí do bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản cả về cấu trúc lẫn nguyên lí làm việc

Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

+ Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn (vai trò của khuếch đại Kp)

+ Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần ui(t), PID vẫn còn tạotín hiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân TI )

+ Nếu sự thay đổi của sai lêch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân TD )

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng phương trình vào ra:

u(t)=kp[e(t) ]

Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào

u(t) là tín hiệu đầu ra

kp,Ti,TD cho bộ điều khiển PID

Mạch tỉ lệ

Mạch tích phân không đảo

Mạch vi phân

Đối tượng bậc 3

- Đối tượng bậc 3 không dao động

4. Tính toán các tham số cho bộ điều khiển PID dùng phương pháp tổng thời gian của Kuln

Thiết kế bộ điều khiển (PID) bằng phương pháp hằng số thời gian tổng của KulnPhương pháp thời gian tổng của Kuln được ứng dụng để thiết kế luật điều khiển cho lớp đối tượng có điểm không và điểm cực nằm trên trục thực về bên trái trục ảo

Đối tượng có mô hình toán học như sau:

Hàm truyền:

Với điều kiện các hằng số thời gian ở tử số Tdm phải nhỏ hơn các hằng số thời gian tương ứng ở mẫu số Tn.

Để định nghĩa hắng số thời gian tổng TΣ là:

Với các hệ số được xác định như sau:

Kp = 1/K0

Ti = 2T∑/3

Td = 0.167T∑

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

1. Tính toán các thông số của mạch

Với đối tượng bậc 3 không dao động như mạch mô phỏng:Chọn R1.1=R1.2=R1.3=5kΩ

- Sơ đồ này được mô phỏng trên phần mềm mô phỏng Proteus.

- Tính thực tế và phương hướng phát triển bài tập:

- Với bài thiết kế bộ PID điều khiển đối tượng bậc 3 đã giúp cho chúng em hiểu được nguyên lí hoạt động của một số linh kiện và nguyên lí của mạch tương tự

Đây là lần làm đồ án môn học nên sự thiếu sót về kiến thức cũng như cách trình bày là không thể tránh khỏi.Chính vì vậy chúng em rất muốn có thêm sự đóng góp

ý kiến của thầy, cô giáo và các bạn để có thể hoàn thiện tốt hơn và có kinh nghiệm cho những đồ án môn học sau này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!