Đề tài Đo lực và ứng suất

Đề tài Đo lực và ứng suất

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 việcđo ứng suất biến dạng từ đó mà ta có thể xác định được những thông số vậtlý 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 đãvà đang phát triển thì máy vi tính bắt đầu thay thế các thiết bị đo lườngthông thường mà cho ta kết quả nhanh và chính xác Các thiết bị, hệ thốngđo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gianthu thập 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 nghệthông tin chúng ta có thêm các thiết bị đo lường điện tử ngày càng chính xáchơn, sử dụng thuận lợi hơn, hoạt động ở chế độ tự động hóa hoàn toàn Đểphục vụ cho việc tự động hóa trong công nghiệp, chúng ta phải đề cập đếncác phương 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 đượckết quả 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.

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 thị1 loạt 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.

II.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG:

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đầu dò, đặc biệttừ những năm 1970, người ta đã chế tạo ra rất nhiều dụng cụ đo biến dạngdựa trên các nguyên lý cơ khí, quang, điện âm thanh và nguyên lý khí nén Tuy nhiên không có một nguyên lý nào có thể thỏa mãn mọi yêu cầu kỹthuật đặt ra Do đó có rất nhiều hệ thống đo khác nhau để đáp ứng mọi yêucầu đo trong phạm vi giải quyết những vấn đề khác nhau, sau đây là cácphương pháp 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 cụđo 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 phápđo 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 trênnguyên lý 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 phươngpháp biến 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 Đểđo 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 sựbiến động tỷ lệ với điện trở của nó.

Strain Gage (SG-miếng đo biến dạng) là một trong những công cụquan trọng của kỹ thuật đo lường điện tử được áp dụng đo các đại lượng cơhọc Đúng như tên gọi, nó được sử dụng để đo biến dạng Biến dạng củamột vật thể được gây ra bởi tác nhân bên ngoài hoặc bên trong, làm sinh raứng suất Do vậy trong phân tích ứng suất thực nghiệm người ta sử dụngrộng rãi phương 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.W i n d i n g C o r d

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.

Để miếng đo có thể hoạt động một cách thích hợp theo sức căngcũng như sức nén, sợi điện trở phải càng mỏng để cho lớp keo có thể truyềnhoàn toàn 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.

trởđiệnđổi biếnđộ:R

R

IV.MẠCH CẦU WHEATSTONE:

Cầu Wheatstone là mạch cầu được chọn nhiều nhất trong việc đonhững biến dạng điện trở nhỏ (tối đa 10%) như trong việc dùng các miếngđo biến dạng.

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 là120 nhưng là 350 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.

(1) 4

 24

mEZ m

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 choviệc thể hiện đo đạc và cho phép dùng thiết bị tốt hơn Hình trên cho thấymột phương pháp thường dùng để đảm bảo cho việc cân bằng ban đầu Ra làđiện trở cố định, Rb là một thế kế nhiều vòng Trong phần lớn thường sửdụng Ra=20k, Rb=40k 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 độngcân bằng Thí dụ, một miếng đo được cân bằng cho phép về lý thuyết sẽkhông cho thấy sự thay đổi điện trở nào khi miếng thép mà miếng đo đượcdán lên sẽ giãn nở khi nhiệt độ thay đổi Đặc tính tự cân bằng này có đượclà nhờ việc xử lý nhiệt áp dụng cho kim loại dùng để chế tạo ra miếng đo.Cách xử lý nhiệt này chỉ có hiệu quả trong một tầm nhiệt độ giới hạn nàođó.

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.

VR a

R b

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:

: hệ số Poisson.A: tiết diện ngang.E: Modun đàn hồi.

R 3R 4

R 2R 1

V

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

Độ uốn của thanh mẫu sẽ được cầu Wheatstone cảm nhận vì cácmiếng đo 1 và 3 ( cũng như 2&4) sẽ cộng các biến dạng có dấu nghịch vớinhau và như thế sẽ tự triệt tiêu theo nhiệt độ Đây là nguyên lý được dùngthường xuyên trong việc thiết kế các bộ cảm biến.

2)&1thức biểucáclại(xem 4

VFK 

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 đổithông tin qua cổng nối tiếp là ít tốn kém nhưng về mặt kỹ thuật thì khá phứctạp.

Giao tiếp qua khe cắm SLOT cũng phức tạp không kém đòi hỏi việcgia công thiết bị phải chính xác, hơn nữa việc tháo vỏ máy để gắn SLOTCard sau 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 còngọi là DB25 Bên trong có 3 thanh ghi có thể truyền số liệu và điều khiểnmáy in, mỗi thanh ghi 8 bit Ba thanh ghi gồm:

 Thanh ghi dữ liệu (Data register):

D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7

( P I N 2 )( P I N 3 )( P I N 4 )( P I N 5 )( P I N 6 )( P I N 7 )( P I N 8 )( P I N 9 )

Có địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản của máy in=378H. 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, tổngcộng người sử dụng có thể trao đổi 1 cách riêng biệt với 17 đường dẫn, baogồm 12 đường dẫn ra và 5 đường dẫn vào Bởi vì 8 đường dẫn dữ liệu D0-D7

không phải là đường dẫn 2 chiều trong tất cả các loại máy tính, nên sau đâyta sẽ thấy là D0-D7 chỉ sử dụng như là lối ra, các lối ra khác nữa là STROBE,

D 5

A C K

( P I N 1 1 )( P I N 1 5 )

B U S YD 7

( P I N 1 2 )D 2

( P I N 1 0 )( P I N 1 3 )

D 6

P EE R R O R

S L C T

D 5

S T R O B E ( P I N 1 )A F ( P I N 4 )I N I T ( P I N 1 6 )S L C T I N ( P I N 1 7 )

I R Q

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

 Các tín hiệu của đầu cắm DB25:

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 địnhnghĩa trong điều kiện tràn khung đã được lấy chuẩn, vì các điểm rời trên đặctính chuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tương đốicũng là 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 đổitrước kết 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 làthử một 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.

M a ïc ht a ïo m a õ

s o á M a õ s o á r a

Đ ie än a ùp v a øo VR

Đ i e än a ùpt ư ơ n g t ư ï v a øoV

T ư ơ n g t ư ï v a øoV F S

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

1 / 2 L S B

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 VR

để xác định hệ số nhị phân ai.

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

+ 1 / 2 L S B

- 1 / 2 L S B

M a ïc ht a ïo m a õ

s o á M a õ s o á r a

Đ ie än a ùp m a ãu V R

Đ i e än a ùpt ư ơ n g t ư ï v a øoV

s o s a ùn h

211 .2 ).



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

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

D A C n b i t

M a ïc h đ e ám n b i t

QF FQE O C

C K x u n g đ o àn g h o àt a àn s o á f c

S T A R Td o ác l e ân

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 ápVa không 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 hiệuquả hơn khiến số lần chuyển đổi ra mã số n bit chỉ mất n chu kỳ xung CK.Mạch đổi gồm mạch so sánh, mạch ghi chuyển đặc biệt và mạch ADC.

D A C n b i t

C o u n t e r U p / D o w n

C KC o n t r o l L i g i c

V = V

R D A C

V a( + )

M a õ s o á r a

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 tiếp lên 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.

r a

V cV a ( t )

S T A R T

F F

M a ïc h t a ïo t í n h i e äu d o ác l e ân

M a õ s o ár a

M a ïc h đ e ám n b i t

V c ( t )V c ( t )V a ( t )

CK

Ban đầu:

Mạch so sánh SS1 có V(-)=Va >V(+)=Voffset  ngã ra của SS1 là VC1=[0].Mạch so sánh SS1 có V(+)=Voffset < V(-)=0  ngã ra của SS1 là VC2=[0].

tạo tín hiệu dốc lên, VR từ giá trị hơi âm tăng đến khi đường dốc cắt trục0V.

Trong khoảng thời gian t1 – t2.

Mạch SS2: V(+)=VR > V(-)=0  VC2=[1].Mạch SS1: V(+)=VR < V(-)=Va  VC1=[0].

C KV cV cV a , V

S T A R T

V o f f s e t

T c

H ì n h a

R O Ån đ ị n h v a øoV r ( t )

H ì n h b 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, mạchso sánh, mạch logic điều khiển và mạch đếm n bit.

-E O C

M a ïc hđ e ám n b i t

M a ïc h l o g i cđ i e àu k h i e ån

Đ e äm n g o õ r a

M a ïc h s o s a ùn hM a ïc h t í c h

p h a ân

M a õ s o á r aV a < 0

S T A R TV i

C KV c

S ICR

S 1S 2

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:

 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 từVImax về 0.

- Giá trị VImax không đổi trong suốt 2 giai đoạn lấy tích phân t1,t2.)

0(V .)

(V sử

. 1

E O CV c

td o ác l e ân l a áy t í c h p h a ân V a

d o ác x u o án g l a áy t í c h p h a ân V a

t 1 t 2

T cS T A R T

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 mạchđổi n bit Các trị tương tự cùng một khoảng được biểu thị cùng một mã sốnhị phân Do đó có một độ chính xác bất định  ½ LSB bên cạnh các sai sốchuyển đổi khác Trong mạch tín hiệu dốc đơn sai số này thường được phátbiểu như  một số đếm.

b.Độ chính xác:

Độ chính xác tuyệt đối là sự sai biệt giữa lý thuyết và trị thực tế củađiện áp tương tự vào cho một mã nhị phân ra Vì 1 mã số ra tương ứng vớimột khoảng hẹp của điện áp tương tự vào nên điện áp tương tự vào ở địnhnghĩa trên được xem như là điểm giữa khoảng.

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

Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tuyêt đối như địnhnghĩa trong điều kiện trị tràn khung đã được lấy chuẩn vì các điểm rời trênđặc tính chuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tươngđối 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 từcác 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 1xảy ra tràn khung (1-3/2.2-n).

Điểm 0 của mạch chuyển đổi ADC lưỡng cực được chỉnh sao chochuyển tiếp đầu trên xảy ra ở toàn khung (1-2-n) và chuyển tiếp cuối xảy ra0_+tràn khung (1-3.2-n).

khung)tràn

trịgiáđến0 từđếm h

mạc(trong

sauđếm số

làN(với



B.Khảo sát ADC ICL 7109:

Sơ đồ chân:

Các thông số về nhiệt độ:

P O LB 1 2B 1 1B 1 0

V +

R E F C A P +R E F I N +I N H IO R

I N L O1

3 73 6

3 33

IC L7 1 0 9

B 9

4 0

3 53 9

3 4

C O M M O NR E F I N -R E F C A P -

1 69

2 42 32 22 52 62 72 93 03 1

1 71 01 11 21 31 41 5

2 11 8

1 92 0

3 2

2 83 8

B 8B 7B 6B 5B 4B 3B 2B 1T E S TL B E NH B E NC E / L O A D

I N TA ZB U FR E F O U TV -S E N DR U N / H O L DB U F O S C O U TO S C S E LO S C O U TO S C I NM O D E

IC L 7 1 0 9( P D IP )T O P V IE WP IN O U T S

+ 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 7,5lần chuyển đổi trong 1 giây Ngoài ra nó có thể sử dụng dao động RC hoặcbất cứ tần số xung đồng hồ khác để tạo dao động.

Vi mạch ICL7109 có những ưu điểm như: độ chính xác cao, nhiễukhông đáng kể và trôi áp thấp đặc biệt rất kinh tế Ngoài ra nó còn cónhững thông số khác như: trôi áp thấp hơn 1V/oc, dòng vào tối đa 10pA vàcông suất tiêu thụ 20mW… làm cho vi mạch này càng trở nên hấp dẫn.

CHỨC NĂNG CÁC CHÂN:

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

Bit 12 Bit có trọng số lớn nhấtBit 11

Bit 10Bit 9Bit 8Bit 7

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 6Bit 5Bit 4Bit 3Bit 2

Bit 1 - Bit có trọng số nhỏnhất

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

cao dùng cho việc kiểm tra Nối lên cao nếu không dùng.

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

mức thấp và chân CE/LOAD ở mức thấp sẽ cho phép xuấtByte cao từ B9  B12 và bit POL/OR.

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

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”

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

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

Ngõvào mức thấp – Quá trình biến đổi kết thúc

CHỨC NĂNG CỤ THỂ CỦA CÁC CHÂN ĐIỀU KHIỂN:

đổi 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 Modeở mức cao dữ liệu ngõ ra chuyển đổi theo kiểu “HANDSHAKE”.

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.

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 mứccao khi RUN/HOLD lên mức cao lại thì sự biến đổi bắt đầu sau 7 chu kỳxung.

Sơ đồ cấu trúc bên trong của ICL 7109: