Ngày nay các thiết bị và dụng cụ đo vẫn có cấu trúc cơ bản nhng sự phát triển của các ngành kĩ thuật điện tử, kĩ thuật số và vi xử lí đã ngày càng góp phần nâng cao các đặc tính kĩ thuật của dụng cụ đo. Chúng có những tính năng u việt hơn hẳn thiết bị đo thông thờng giúp cho việc đo đạc, thu thập và xử lý kết quả đo một cách chính xác, nhanh chóng và còn có khả năng truyền số liệu đi xa và còn rất nhiều tiện ích khác.
Ngoài ra sự phát triển của ngành tin học đã cho ra đời rất nhiều phần mềm hữu ích để ứng dụng trong ngành kĩ thuật đo lờng. Các phần mềm này kết hợp với hệ thống vi xử lý đã tạo ra bớc đột phá trong việc xây dựng các thiết bị, dụng cụ đo lờng mới .
Một trong những phần mềm đó chính là phần mềm Labview. Đây là một trong những phần mềm mới nhất đợc sử dụng để thiết kế những thiết bị, dụng cụ đo ảo trên hệ thống máy tính dựa trên những thiết bị, dụng cụ đo thật. Các thiết bị ảo này có những tính năng u việt hơn thiết bị, dụng cụ đo thật.
1.6. Kết luận chơng I
Chơng I ta đã tìm hiểu và nắm đợc cơ sở lý thuyết của kĩ thuật đo lờng. Hiểu đợc những cấu trúc cơ bản, các thành phần, yếu tố cơ bản trong kĩ thuật đo lờng. Biết cách tính sai số, xử lí kết quả, xây dựng đờng quan hệ giữa các đại l- ợng đo và đa ra một số ví dụ minh hoạ. Tìm hiểu về thiết bị, dụng cụ đo và hớng phát triển của dụng cụ đo trong tơng lai.
Qua đó dựa trên cơ sở lí thuyết về đo lờng để tìm hiểu và thiết kế xây dựng phần mềm Labview đợc ứng dụng trong ngành kĩ thuật đo lờng trong các chơng tiếp theo của đề tài.
Chơng ii: nghiên cứu card giao diện daq pci6024e và thiết kế mạch mở rộng thang đo cho multimeter
2.1. Giới thiệu về Card thu thập số liệu DAQ-PCI6024E
Card thu thập số liệu DAQ-PCI6024E (DAQ- Data AcQuisition) là một trong những họ Card DAQ của National Instrument đưa ra hỗ trợ trong việc thu thập dữ liệu từ ngoài vào mỏy tớnh. Đặc biệt là trong việc kết hợp với phần mềm LabView trong thu thập dữ liệu từ ngoài vào.
2.1.1. Cấu tạo card
Những đặc điểm tổng quỏt của nú bao gồm: - 16 kờnh vào tương tự.
- 2 kờnh ra tương tự.
- 68 chõn nối và 8 đường vào ra số I/O.
NI- DAQ : phần mềm driver tương thớch với mỏy tớnh PC.
PXI : PCI eXtensions for Instrusmentation. Mở rộng của CompactPCI. Sử dụng hệ thống điều khiển thời gian DAQ-STC thực hiện cỏc chức năng liờn quan tới thời gian. DAQ-STC bao gồm 3 nhúm định thời điều khiển:
* Đầu vào tương tự. * Đầu ra tương tự.
H 2.1 Sơđồ khối Card PCI6024E 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của Card
- Đầu vào tương tự Analog Input
Thiết bị này cú ba chế độ vào khỏc nhau NRSE,RSE, và DIFF. Hai chế độ đầu cú thể cung cấp lờn tới 16 kờnh. Chế độ đầu vào DIFF cung cấp tới 8 kờnh. Những chế độ đầu vào được định trỡnh hoạt động cho từng kờnh cơ bản cho chế độ quột đa kờnh. Vớ dụ cú thể thiết lập mạch để quột 12 kờnh – 4 kờnh chế độ DIFF và 8 kờnh chế độ RSE. Bảng sau sẽ chỉ ra cỏc chế độ hoạt động và thiết lập chế độ.
Bảng2-1: Bảng Chế độ hoạt động và thiết lập chế độ của Card DAQ
Thiết lập chế độ Mụ tả
DIFF
Một kờnh thiết lập trong chế độ DIFF sử dụng hai đường vào tương tự. Một đường nối với đầu vào dương của chõn PGIA(the programmable gain instrument - chõn cú thể lập trỡnh tăng hệ số khuyếch đại) của thiết bị và chõn khỏc được nối với đầu õm của đầu vào PGIA.
RSE
Một chõn được thiết lập ở chế độ RSE sử dụng một kờnh tương tự đầu vào nối tới đầu vào dương của PGIA. Đầu vào õm của PGIA được nối bờn trong tới chõn vào đất tương tự(AIGND).
NRSE
Một kờnh được thiết lập ở chế độ NRSE sử dụng một đường vào tương tự nối với đầu vào dương của PGIA. Đầu vào õm của PGIA nối với đầu vào cảm ứng tương tự (AISENSE).
-Với những thiết lập khác nhau bạn có thể sử dụng PGIA theo nhiều cách khác nhau, PGIA là thiết bị cung cấp hệ số khuyếch đại và loại bỏ chế độ điện áp thờng. Hình sau đây chỉ ra sơ đồ của thiết bị PGIA
H2.2: Sơđồ thiết bị PGIA
- Trong chế độ đơn kết thúc (RSE và NRSE), những tín hiệu đợc nối tới ACH<0..15> đợc định đờng nối tới cực dơng đầu vào của PGIA và những tín hiệu đợc nối tới ACH <8..> đợc nối với cực âm của PGIA.
- Trong chế độ NRSE tín hiệu AISENSE nối trực tiếp bên trong tới đầu vào cực âm của PGIA khi những kênh tín hiệu tơng ứng đựơc chọn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Trong chế độ DIFF và chế độ RSE AISENSE đợc bỏ không nối.
AIGND là một đầu vào tơng tự đợc nối trực tiếp với cực âm của PGIA có thể sử dụng tín hiệu này để kết nối những điểm tơng tự tới thiết bị này nếu cần thiết.
Vin+
Vin-
Vm Measured Voltage
Vm= [Vin+ -Vin-] * Gain
Programable Gian Instrusmentation
Amplifier PGIA
H 2.3: Sơđồ chõn nối của Card DAQ- PCI6024E
Thiết bị cú dải cực tớnh đầu vào thay đổi theo hệ số khuyếch đại được thiết lập. Cú thể thiết lập riờng mỗi kờnh với một hệ số khuyếch đại là 0.5;1.0; 10 hoặc 100 chi tới tối đa độ phõn giải 12 bit của bộ chuyển đổi tương tự số ADC. Để thiết lập hệ số khuyếch đại phự hợp ta cú thể sử dụng hết độ phõn giải của ADC để đo tớn hiệu vào.
Bảng mụ tả dải đầu vào và hệ số chia thang tuỳ theo hệ số khuyếch đại được sử dụng.
Bảng 2-2: Mô tả dải đầu vào và hệ số chia thang tuỳ theo hệ số khuyếch đại
- Chế độ quột đa kờnh
Cú thể thực hiện quột đa kờnh tại cựng tần số lớn nhất như tần số đơn kờnh khụng phải đặt thờm thời gian giữa cỏc kờnh cú độ lớn của hệ số khuyếch đại khụng đổi và nguồn trở khỏng ở mức thấp. Khi quột đa kờnh cú những hệ số khuyếch đại thay đổi, sự chỉnh định thời gian cú thể tăng. Khi PGIA nối vào hệ số khuyếch đại cao hơn, tớn hiệu trờn kờnh trước cú thể tốt hơn ở ngoài dải đo mới nhỏ hơn dải đo.
Điện ỏp làm việc tối đa: Mỗi đầu vào nờn duy trỡ trong vũng ±11V của tớn hiệu đất.
Hệ số khuyếch đại Dải đầu vào Thang chia
0.5 -10 đến +10 V 4.88mV
1.0 -5 đến +5 V 2.44 mV
10 -500 đến +500mV 244.14 àV
Bảng 2-3: Bảng hệ số khuyếch đại và dải đo
Hệ số khuếch đại
(Cú thể lựa chọn bằng phần mềm) Dải đo
0.5 ±10V
1 ±5V
10 ±500mV
100 ±50mV
- Đầu ra tương tự Analog Output
Cú hai kờnh đầu ra tương tự. Dải cực tớnh đầu ra là ±10V. Dữ liệu ghi được đưa tới bộ chuyển đổi số - tương tự DAC.
Analog Output Glitch: Trong chế độ hoạt động bỡnh thường, một đầu ra DAC ngắt quóng bất cứ lỳc nào nú được cập nhật một giỏ trị mới. Sự ngắt quóng năng lượng từ dữ liệu code và xuất hiện sụ mộo tại phổ tần tớn hiệu.
Đặc tớnh đầu ra tương tự Số kờnh ra: 2 kờnh. Độ phõn giải: 12 bits. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tần số cập nhật dữ liệu tối đa:
DMA 10kHz hệ thống độc lập
Ngắt 1kHz, hệ thống độc lập.
Điện ỏp ra: Dải điện ỏp ±10 V Kết nối đầu ra: DC
Dũng: Tối đa ±5mA.
- Vào ra số - Digital I/O
Thiết bị cú 8 đường vào ra số DIO<0..7> cho mục đớch sử dụng chung. Cú thể thiết lập bằng phần mềm riờng cho từng kờnh. Tại thời điểm khởi động hệ thống hoặc Reset cỏc cổng vào ra số ở trạng thỏi trở khỏng cao.
mạch tới DIO6 và DIO7 riờng rẽ. Vỡ vậy cú thể sử dụng DIO6 và DIO7 để điều khiển bộ đếm. Những tớn hiệu điều khiển lờn xuống chỉ là đầu vào và khụng cú ảnh hưởng tới hoạt động của cỏc đường DIO.
Cỏc đặc tớnh Số kờnh : 8 kờnh vào ra. Số kờnh : 2 bộ đếm / định thời lờn xuống. 1 bộ chỉnh định thời gian. Độ phõn giải: 24 bits Tần sụ nguồn lớn nhất: 20MHz - Kết nối tớn hiệu
Phần này mụ tả cỏch một tớn hiệu vào và một tớn hiệu ra nối với cỏc thiết bị 7qua cổng nối vào ra I/O.
PCI-6024E cú 68 chõn chọn loại cable nối tới 100 chõn truy nhập là N/A, cable để nối với 68 chõn truy nhập là R6868, cable nối với 50 chõn tớn hiệu truy nhập là SH6850.
2.2. thiết kế mạch mở rộng thang đo cho multimeter
Đối với Card thu thập PCI-6024E thỡ cỏc đầu vào tương tự cú cỏc chế độ đầu vào là lưỡng cực cú điện thế trong khoảng -5V ữ +5V và đơn cực cú điện thế trong khoảng 0V ữ +10V do chỳng ta đặt cấu hỡnh bằng phần mềm. Do vậy cú sự hạn chế trong việc nếu như chỳng ta cú tớn hiệu vào mà điện ỏp nằm ngoài khoảng giới hạn của Card thỡ việc thu thập sẽ khụng thể thực hiện được. Để khắc phục sự hạn chế này thỡ chỳng ta cần cú một bộ mở rộng thang đo để chuẩn hoỏ tớn hiệu vào sao cho phự hợp với giải đo của Card. Đối với bộ mở rộng thang đo, chỳng ta thiết kế sao cho cú nhiều khoảng đo để đảm bảo về sai số cũng như tớnh chớnh xỏc và nú chỉ cho tớn hiệu nằm trong giới hạn của Card đi qua đến Card cũn phần nằm ngoài khoảng giới hạn thỡ bị cắt, khi đú muốn thu thập toàn bộ tớn hiệu thỡ chỳng ta dựng phần mềm điều khiển bộ mở rộng
thang đo chọn khoảng đo thớch hợp để thu thập được hoàn toàn tớn hiệu.
Trong thiết kế bộ mở rộng thang đo thỡ trước tiờn ta phõn ỏp tớn hiệu sao cho phự hợp với đặc tớnh của cỏc linh kiện được dựng để thiết kế mạch, rồi sau đú cho tớn hiệu qua mạch khoỏ điờn tử để chọn thang đo, cuối cựng cho qua bộ chuẩn hoỏ để chuẩn hoỏ tớn hiệu cho phự hợp với giải đo của Card.
2.2.1.Mạch mở rộng thang đo điện áp
2.2.1.2. Cấu trúc các vi mạch dùng trong thiết kế + Mạch phân áp tín hiệu H 2.5: Sơ đồ mạch phân áp + Vi mạch 4066 H 2.6: Sơ đồ cấu trúc vi mạch 4066
Đõy là một vi mạch CMOS rất đa năng, nú thực chất là một khoỏ điện tử hai chiều với cỏc chõn điều khiển đúng mở khoỏ là 13, 5, 6 và 12. Nú cú 4 đường tớn hiệu vào và 4 đường tớn hiệu ra cỏc đặc tớnh như sau :
- Điện ỏp cung cấp: Vcc = +3V ữ +18V ở chế độ số(digital) hoặc ±18V ở chế độ tương tự
- Điện ỏp tớn hiệu vào: Vin = Vcc+0,5(Vin lớn nhất = +18V) - Dũng điện đối với mỗi chõn ±25mA
- Điện trở khi mở 80ữ250Ω - Điện trở khi khoỏ 109Ω
- Giải nhiệt độ làm việc -65 ữ +150oC
+Vi mạch LM741
H 2.7: Sơ đồ cấu trúc vi mạch LM 741
Đõy là bộ khuyếch đại thuật toỏn thụng dụng và phổ biến nhất được dựng trong cụng nghệ điện tử hiện nay, nú là vi mạch gồm 8 chõn như hỡnh vẽ với cỏc đặc tớnh như sau :
- Điờn ỏp cung cấp: Vcc = ± 22V - Điện ỏp vào: Vin = ± 15V
- Giải nhiệt độ làm việc – 65 ữ +150oC
+ Bộ phõn ỏp
Bộ phõn ỏp gồm những điện trở mắc nối tiếp nhau như sau:
H2.8: Sơ đồ mạch phân áp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Trước tiờn ta chọn giỏ trị của tổng trở R:
Sau đú tớnh cỏc điện ỏp U1 , U2 , U3 và U4 theo cụng thức sau: 3 2 1 . 4 3 . ) 4 3 ( 2 . ) 4 3 2 ( 1 K U R R U U K U R R R U U K U R R R R U U = = = + = = + + = (2-2)
Nếu đó biết được giỏ trị U và cỏc hệ số K1, K2, K3 thỡ ta sẽ tớnh được giỏ trị U1, U2, U3.
Thực tế thỡ đõy là một mạch giảm ỏp tuyến tớnh với cỏc hệ số K1, K2 , K3 được tớnh bởi cỏc điện trở.
+ Vi mạch LM339
H 2.9: Sơ đồ cấu trúc vi mạch LM 339
Đõy là vi mạch dựng để so sỏnh điện ỏp, nú gồm 14 chõn trong đú cú 4 bộ so sỏnh, trong mỗi bộ so sỏnh nếu điện ỏp đầu (+) lớn hơn điện ỏp
đầu(–) thỡ tại đầu ra của nú sẽ cú giỏ trị logic là H cũn nếu khụng thỡ đầu ra là giỏ trị L và cú những đặc tớnh sau:
- Điện ỏp nguồn cung cấp: Vcc= 0ữ36V hoặc ±18V - Điện ỏp vào so sỏnh lớn nhất: Vcc – 1.5V - Giải nhiệt độ làm việc -65ữ150oC
* Nguồn nuụi
- Vi mạch LM7815
Đõy là vi mạch dựng để ổn định điện ỏp lớn hơn 15V thành điện ỏp 15V ổn định, nú gồm 3 chõn trong đú chõn 1 là chõn điện ỏp vào, chõn 2 là chõn đất, chõn 3 là chõn điện ỏp ra.
- Vi mạch LM7805
Đõy là một vi mạch dựng để ổn định điện ỏp, với đầu vào điện ỏp từ 6ữ12V thỡ nú luụn cho ở đầu ra một điện ỏp ổn định là +5V nú gồm cú 3 chõn trong đú chõn 1 là chõn vào, chõn 2 là chõn nối đất cũn chõn 3 là chõn điện ỏp ra.
- Vi mạch LM7905
Cũng giống như LM7805 đõy là vi mạch dựng để ổn định điện ỏp, với những điện ỏp từ -6 ữ -12V ở đầu vào thỡ nú luụn cho ở đầu ra một điện ỏp ổn định là -5V.
Ta cú sơ đồ mạch nguồn như sau
2 1 3 V I N G N D V O U T 1 3 2 V I N G N D V O U T 1 3 2 V I N G N D V O U T - + D 1 2 1 3 4 T 1 1 4 5 6 8 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 7 8 0 5 7 9 0 5 7 8 1 5 + 1 5 V + 5 V - 5 V H 2.10: Sơ đồ mạch nguồn
2.2.1.3. Nguyên lý hoạt động của mạch mở rộng thang đo điện áp.
Trong thực tế điện áp đợc sử dụng rộng rãi là: 220V, 110V đối với Multimeter thỡ yờu cầu đo được điện ỏp xoay chiều và một chiều tới 300V, với yờu cầu như vậy thỡ trong phần chức năng đo điện ỏp ta chia thành 4 thang đo khỏc nhau đú là : 300V , 150V , 10V và 500mV.Việc chia thành nhiều thang đo sẽ làm tăng độ chính xác khi tiến hành đo các giá trị điện áp. Nguyên lý hoạt động của mạch mở rộng khi đo điện áp nh sau:
+ Tớn hiệu của cỏc thang đo sau khi phõn ỏp xuống 20 lần, vừa được đưa qua vi mạch 4066 đồng thời được đưa qua vi mạch LM339 để so sỏnh với một điện ỏp chuẩn.
+ Tại vi mạch LM 339 nếu điện ỏp mà lớn hơn giỏ trị điện ỏp chuẩn thỡ tại đầu ra của khõu so sỏnh đú cú giỏ trị H, với 4 thang đo được đưa vào 4 khõu so sỏnh thỡ cho ra 4 giỏ trị logic, 4 giỏ trị logic này được đưa vào 4 cổng vào số của Card để điều khiển phần mềm chọn thang đo thớch hợp. Do đú việc chọn thang đo hoàn toàn thực hiện tự động.
+Vì đầu vào của Card DAQ là +5V nên tớn hiệu sau khi được chọn thang đo thớch hợp thỡ phải được chuẩn hoỏ để phự hợp với giới hạn của Card, đối với mỗi thang đo ta cũng cần cú một hệ số khuyếch đại riờng, để giữ nguyờn về chiều cũng như về dấu của tớn hiệu thỡ ta dựng hai tầng khuyếch đại đảo với vi mạch LM741.
2.2.1.4. Tính toán các thông số của mạch
- Mạch Phõn ỏp tớn hiệu