Khối các bộ lọc thông thấp

3 2 CẤU TRÚC CỦA VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC 0F4011

3.1.2.Khối các bộ lọc thông thấp

Trong khóa luận này, cần sử dụng 2 bộ lọc thông thấp. Một bộ lọc thông thấp cơ bản và một bộ lọc thông thấp Sallen Key Filter để thỏa mãn yêu cầu cắt tần số tại 10kHz.

Sơ đồ bộ lọc thông thấp Sellen Key cơ bản được trình bày trên hình 3.3

Hình 3.3. Sơ đồ bộ lọc Sallen Key cơ bản

Sơ đồ bộ lọc Sallen Key dùng trong khóa luận được trình bày trên hình 3.4

Hình 3.4. Sơ dồ bộ lọc Sallen Key được sử dụng trong khóa luận

Để thỏa mãn tần số cắt là 10kHz trong khóa luận này em sử dụng tụ C2 = 1000pF => C1 = 2C2 = 1000pF

=> R1 = R2 = 0.707 / (2 · π · fo · C2) = 0.707 / (2 · π · 10kHz · 1000pF) = 11.2 K

Bộ lọc thông thấp còn lại được thiết kế để làm trơn tín hiệu sau khi qua bộ khuyếch đại analog.(xem hình 3.5)

Hình 3.5. Bộ lọc thông thấp low pass 3.1.3. Khối biến đổi DAC

3.1.3.1. Hoạt động của DAC và tính chất của nó

Hình 3.6. Ví dụ về bộ biến đổi DA 4 bít

Mục đích của bộ biến đổi DA, như đã nêu, là biến đổi tín hiệu nhị phân n bít thành dòng hay áp tương ứng. Hình 3.6 là một ví dụ về một bộ biến đổi DA 4 bít đơn giản.

Về nguyên tắc bộ chuyển đổi số-tương tự tiếp nhận một mã số n bít song song hoặc nối tiếp ở lối vào và biến đổi ra dòng điện hoặc điện áp tương ứng ở lối ra. Dòng điện hay

Một bộ DAC hoàn chỉnh bao gồm ba phần tử cơ bản:

 Ðiện áp tham chiếu ổn định bên ngoài (Vref)

 DAC cơ sở

 Khuếch đại thuật toán

Sơ đồ khối của bộ DAC được trình bày trên Hình 3.7

Hình 3.7. Sơ đồ khối DAC

Như vậy điện áp đầu ra của bộ biến đổi V0 sẽ phụ thuộc vào mã nhị phân đầu vào

theo công thức sau:

) 2 B ... 2 B 2 (B V V n n 1 1 0 0 ref 0 = + + +

Trong đó B0 là bít thấp nhất và Bn là bít cao nhất của mã nhị phân đầu vào, Vref là điện áp tham chiếu.

DAC cơ sở cấu tạo bằng những chuyển mạch tương tự được điều khiển bởi mã số đầu vào và các điện trở chính xác. Các chuyển mạch tương tự điều chỉnh dòng điện hay điện áp trích ra từ điện áp tham chiếu và tạo nên dòng điện hay điện áp ở đầu ra tương ứng với mã số đầu vào.

Mạch khuếch đại thuật toán dùng ở đây để chuyển đổi dòng thành áp đồng thời có chức năng tầng đệm.

Bộ biến đổi DAC có đặc điểm là đại lượng ra tương tự không liên tục, độ rời rạc của đầu ra phụ thuộc vào số bít của bộ biến đổi, những DAC có số bít đầu vào lớn thì tổng số nấc điện áp ra càng lớn và khoảng cách giữa các nấc càng nhỏ.

3.1.3.2. Các tham số của bộ chuyển đổi DA

- Ðộ phân giải (Solution): Liên quan đến số bít của một DAC. Nếu số bít là n thì số

trạng thái của tín hiệu nhị phân là 2n nghĩa là sẽ có 2n mức điện thế (hoặc dòng điện) khác

nhau, do đó có độ phân giải là 1/2n. Ðộ phân giải càng bé thì điện thế (hoặc dòng điện đầu

ra) càng có dạng liên tục, càng gần với thực tế và ngược lại. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

- Ðộ chính xác (Accuracy): Có thể đánh giá chất lượng của một DAC bằng sai số của nó. Ðại lượng biểu diễn sai số là độ lệch tối đa giữa đại lượng ra và một đường thẳng nối điểm 0 với điểm FS (Full Scale) trên đặc tuyến chuyển đổi DA.

- Ðộ tuyến tính (Linearity): Ðộ tuyến tính của DAC cho biết độ lệch điện áp so với một đường thẳng đi qua những điểm nút của đặc tuyến chuyển đổi. Ðó là đặc tính thường gặp nhất với DAC. Ðường cong đặc tuyến là đơn điệu nếu sự thay đổi độ lệch trên là không đổi dấu. Ðể có một DAC đơn điệu, độ lệch này phải lớn hơn 0 cho mỗi nấc thang. Ngoài ra mức độ tuyến tính của DAC phải nhỏ hơn hoặc bằng 1/2 LSB để nó trở nên đơn điệu. Như vậy 1/2 LSB là đặc trưng về giới hạn đơn điệu của một DAC.

- Phi tuyến vi sai: là đại lượng cho biết độ lệch giữa giá trị thực tế và lý tưởng cho một nấc điện áp ra ứng với mỗi thay đổi của mã số vào. Ðại lượng này cho biết về độ nhẵn của đường cong đặc tuyến đối với DAC.

- Thời gian thiết lập: đối với một DAC là thời gian cần thiết để điện áp ra đạt tới giá trị tới hạn sai số xung quanh giá trị ổn định. Giới hạn này thường là =½ LSB hoặc biểu diễn bằng giá trị % FS.

Thời gian thiết lập trước hết phụ thuộc vào kiểu chuyển mạch, kiểu điện trở và kiểu khuếch đại dùng để xây dựng bộ DAC. Thông thường nó được định nghĩa bằng thời gian từ khi điện áp bắt đầu thay đổi cho tới khi đạt tới vùng giới hạn sai số cho trước. Nó không

3.1.3.3. Các mạch DAC điển hình

Các DAC có thể được xây dựng theo một trong những kiểu mạch sau:

 Chuyển đổi DA theo kiểu điện trở trọng lượng

 Chuyển đổi DA theo kiểu mạch R-2R

3.1.3.3.1. Bộ chuyển đổi DA theo kiểu điện trở trọng lượng (Weighted resistor DAC)

Mạch gồm một nguồn điện áp chuẩn Uch, các chuyển mạch, các điện trở có giá trị lần

lượt là R, R/2, R/4, ... , R/2n-1 và các mạch khuếch đại thuật toán.(Xem hình 3.7)

Với mạch như trên, khi một khoá điện nào được nối với nguồn điện thế chuẩn thì sẽ cung cấp cho bộ khuếch đại thuật toán (KÐTT) dòng điện.

Dòng điện này độc lập với các khoá còn lại. Như vậy có thể thấy ngay rằng biên độ điện áp ra phụ thuộc vào các vị trí được đóng hay mở khoá nghĩa là được nối với điện áp

chuẩn Uch hay nói cách khác phụ thuộc vào giá trị các bít tương ứng trong tín hiệu số đưa

vào mạch chuyển đổi.

Hình 3.8. DAC theo phương pháp điện trở trọng lượng

Một cách tổng quát, với một DAC có n bít thì tín hiệu ra được tính theo công thức:

Ura =

R R Uch. 1

− (2n-1.Bn-1 + 2n-2.Bn-2 + ... + 21.B1 + 20.B0)

Mạch có ưu điểm là đơn giản, nhưng nhược điểm là độ chính xác và tính ổn định của kết quả phụ thuộc nhiều vào trị số tuyệt đối của các điện trở và sự ổn định của chúng trong các môi trường khác nhau. Ngoài ra còn phụ thuộc vào tính ổn định và độ chính xác của nguồn điện áp chuẩn.

3.1.3.3.2. Bộ chuyển đổi DA theo kiểu thang điện trở R-2R (R-2R ladder)

Hình 3.9. DAC theo phương pháp mạch R-2R

DAC với thang điện trở R-2R khắc phục được một số nhược điểm của DAC điện trở trọng lượng.

Mạch chỉ gồm hai điện trở R và 2R mắc theo hình thang với nhiều khoá điện (mỗi

khoá điện cho một bít) và một nguồn điện áp chuẩn Uch.(Xem Hình 3.9)

Ðại lượng cần tìm là dòng Ith chảy vào mạch KÐTT khi có một số khoá điện được nối

với Uch. Theo mạch điện ta có:

Ura = -Ith.Rf (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Xét tại chuyển mạch tương ứng với bít thứ i, nút tương ứng trên mạch hình thang là 2i

. Sử dụng định lý Thevenin, khi đóng chuyển mạch vào Uch thì điện thế tương đương

Thevenin tại nút 2i sẽ là Uch/2 và nguồn tương có nội trở là R, như vậy tại nút 2i+1 (tiến về

Từ những kết quả trên suy ra rằng khi di chuyển về phía mạch KÐTT thì trị số điện

thế Thevenin tại mỗi nút bằng một nửa trị số tại nút kề cận bên trái nó, và tại nút 2n-1 do đặc

tính của bộ KÐTT điện thế được coi bằng 0V.

Một cách tổng quát, ta có công thức để tính điện áp ra của một DAC n bít với điện trở hình thang R-2R như sau:

(2 1 1 2 2 2 ... 21 1 20 0) . 2 R B B B B R U U n n n n n t ch ra = − − − + − − + + +

Trong đó B0 < Bn-1 có giá trị "0" hoặc "1".

Các DAC theo thang điện trở phải dùng số điện trở khá lớn, ví dụ nếu một DAC n bít thì cần dùng 2(n-1) điện trở trong khi phương pháp điện trở trọng lượng chỉ phải dùng n thôi. Nhưng bù lại độ chính xác và tính ổn định của tín hiệu ra được đảm bảo tốt hơn.

3.1.3.4. Ghép nối ADC với vi điều khiển

Về nguyên tắc một bộ DAC có thể ghép nối tương thích với hầu hết các bộ VĐK. Ðối với các bộ DAC 8 bít, công việc thậm chí còn rất đơn giản khi ghép nối với các VĐK, lý do là các VĐK đều có BUS dữ liệu là bội của 8. Ðối với các bộ DAC 12 hay 16 bít ta phải sử dụng các đệm trung gian có số bít tương ứng sau đó tiến hành trao đổi số liệu nhiều lần.

3.1.3.5. Bộ biến đổi DAC sử dụng trong khóa luận

Trong khóa luận, em sử dụng kiểu biến đổi DAC mạng R/2R 4 bít ghép nối với vi xử lý.

Sơ đồ của bộ biến đổi được trình bày trên Hình 3.10

4 bít được ghép nối với 4 đầu ra RE0...RE3 của vi điều khiển dsPic30F4011. Để điều khiển bộ biến đổi DAC 4 bit này em viết chương trình cho VĐK để tạo sóng sin, theo bảng được thiết lập như sau:

sinTable[] = {5,6,7,8,9,9,10,10,10,10,10,9,9,8,7,6,5,4,3,2,1,1,0,0,0,0,0,1,1,2,3,4} Sau khi đã được chương trình hóa trên VĐK tín hiệu ra có dạng (xem hình 3.11)

Hình 3.11. Tín hiệu ra bộ biến đổi DAC 4 bít

Tín hiệu ra sẽ không mịn như mong muốn, muốn được mịn hơn ta cần cho tín hiệu qua một bộ lọc thông thấp (cụ thể ở đây là bộ lọc salenkey), Sau khi qua bộ lọc salenkey tín hiệu ra sẽ có dạng như hình 3.12

3.1.4. Khối khuyếch đại tín hiệu vào

3.1.4.1. Tìm hiểu về một số mạch khuyếch đại thuật toán và tính chất của nó

Khuếch đại thuật toán là một trong số những linh kiện điện tử thường gặp nhất trong kỹ thuật tương tự, vì thế trong kỹ thuật đo lường và điều khiển công nghiệp, khuếch đại thuật toán cũng có mặt trong rất nhiều thiết bị và hệ thống. Khả năng sử dụng của các bộ khuếch đại thuật toán là rất vạn năng, chúng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như các bộ khuếch đại một chiều, các bộ khuếch đại xoay chiều, bộ lọc tích cực, bộ dao động, bộ biến đổi trở kháng, bộ vi phân, bộ tích phân...

Ðể làm nổi bật tính chất của một bộ khuếch đại thuật toán, hãy xét tính năng của một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng:

 Hệ số khuếch đại khi không có phản hồi âm lớn vô cùng.

 Ðiện trở lối vào lớn vô cùng.

 Ðộ rộng dải thông lớn vô cùng.

 Hệ số nén đồng pha CMRR lớn vô cùng.

 Ðiện trở lối ra bằng không

 Thời gian đáp ứng bằng không.

Trên thực tế, không có bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng mà chỉ tồn tại những khuếch đại thuật toán thực có tính chất gần với những tiêu chuẩn đã nêu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Các tham số và các mạch ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán rất nhiều, không thể nêu hết trong bản khóa luận này mà đây dưới đây chỉ nêu lên những tham số cơ bản, cách tính toán và các mạch đã được áp dụng trong hệ thống điều khiển.

3.1.4.1.1.Các tham số cơ bản của mạch khuếch đại thuật toán

Hình 3.13. Bộ khuếch đại thuật toán.

Trên hình 3.13 ta có các ký hiệu sau:

 Ud điện áp vào hiệu

 UP , IP điện áp vào và dòng điện vào cửa thuận.

 UN , IN điện áp vào và dòng điện vào cửa đảo.

 Ur , Ir điện áp ra và dòng điện ra.

Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệu điện áp Ud = UP - UN với hệ số khuếch đại

K0 > 0. Do đó điện áp ra:

Ur = K0. Ud = K0(UP - UN) (*)

i) Hệ số khuếch đại hiệu K0

Khi không tải hệ số khuyếch đại hiệu Ko được xác định theo biểu thức sau

n p r d r U U U U U K − = = 0

j) Hệ số khuếch đại đồng pha KCM

thì Ud = 0. Gọi UCM là điện áp vào đồng pha. Theo biểu thức (*) ta có Ur=0. Tuy nhiên, thực tế không phải như vậy, giữa điện áp ra và điện áp vào đồng pha có quan hệ tỷ lệ là hệ số

khuếch đại đồng pha KCM :

CM r CM U U K ∆ ∆ =

KCM nói chung phụ thuộc vào mức điện áp vào đồng pha.

k) Hệ số nén đồng pha CMRR

Dùng để đánh giá khả năng làm việc của bộ khuếch đại thực so với bộ khuếch đại lý

tưởng (KCM=0) CM K K CMRR = 0 l) Dòng vào tĩnh

Là trị trung bình của dòng vào cửa thuận và dòng vào cửa đảo:

2 N P t I I I = + với UP = UN = 0

Dòng vào lệch không là hiệu các dòng vào tĩnh ở hai cửa của bộ khuếch đại thuật toán

I0 = IP - IN với UP = UN = 0

Thông thường I0 = 0,1IP. Trị số của dòng vào lệch không thay đổi theo nhiệt độ. Hiện

tượng này gọi là hiện tượng trôi dòng lệch không.

3.1.4.1.2. Các sơ đồ cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán i) Sơ đồ khuếch đại không đảo

Hình 3.14. Sơ đồ khuếch đại không đảo (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Hệ số khuếch đại của mạch là

      −     + + = CMRR R R R K K 1 1 1 1 2 1 2 0 j) Mạch đệm

Ðây là trường hợp đặc biệt của mạch khuếch đại không đảo

Hình 3.15. Sơ đồ mạch đệm

Mạch có hệ số khuếch đại bằng 1 và dùng để phối hợp trở kháng.

k) Mạch khuếch đại đảo

Hình 3.16. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo

Hệ số khuếch đại của mạch:

1 2

R R K =

l) Sơ đồ biến đổi dòng điện - điện áp: Được trình bày trên hình 3.17

Hình 3.17. Sơ đồ biến đổi dòng điện - điện áp

Ðiện áp ra được tính theo biểu thức:

UR = - R.IV

3.1.4.2. Bộ khuyếch đại sử dụng trong khóa luận (AD620)

Trong khóa luận này bộ khuyếch đại đã xây dựng có sử dụng vi mạch AD620, sơ đồ cụ thể được trình bày như hình 3.18

Hình 3.18. Bộ khuyếch đại thuật toán sử dụng IC AD620

AD620 là loại IC khuyếch đại thuật toán khá tốt, nó có khả năng khuyếch đại tín

hiệu tới 1000 lần, tùy thuộc vào điện trở phối ghép. Mật độ ồn lối vào 9nV/ Hz, băng

thông của bộ khuyếch đại là 120KHz

Độ khuyếch đại được tính theo công thức:

1 4 , 49 1 4 , 49 − Ω = ⇒ − Ω = G k R R k G G G

Trong khóa luận RG chính là R7.

3.1.5. Khối LCD

Trong khóa luận này em sử dụng LCD hiển thị 16 ký tự 2 dòng. Giao tiếp 8 bit. LCD có tác dụng hiển thị kết quả cuối cùng của bài toán. Các chân điều khiển của LCD được kết nối với các chân I/O của vi điều khiển dsPic30F4011. LCD được hoạt động thông qua sự điều khiển của vi điều khiển (VĐK) dsPic30F4011.

Hình 3.19. LCD 16 ký tự 2 dòng 3.1.6. Khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm trong khóa luận sử dụng vi điều khiển DsPic30F4011. Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu vào thành tín hiệu số sau đó nó sẽ dùng bộ dsp để xử lý tín hiệu để cho ta kết quả cuối cùng đưa ra LCD(gồm có thực hiện các phép nhân và sử dụng bộ lọc số FIR )..

Thật thú vị trong VĐK DsPic30F4011 có tích hợp bộ chuyển đổi AD như đã trình bày ở phần 2.3.7 trong chương 2. Công việc của người sử dụng là chương trình hóa cho VĐK để thực hiện việc chuyển đổi AD.

Bộ xử lý số dsp được tích hợp sẵn trong VĐK DsPic30F4011 làm cho việc thiết kế cũng đơn giản hơn, với những hàm thư viện có sẵn do Microchip cung cấp.