(Phần detector này do sinh viên Hoàng Trung Kiên HTĐ3-K48 đã thiết kế trong đồ án tốt nghiệp/TS. Phạm Hồng Thịnh hướng dẫn, em xin trình bày sơ qua)
Sơ đồ nguyên lý mạch đo:
Trong sơ đồ đã bao gồm một số thiết bị như bộ lọc tần số cao đầu vào, bộ phân áp, bộ khuyếch đại:
M
FA
U~ K
TH K Tín hiệu
Hình 3.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch đo. Trong đó: LT: Bộ lọc tần số cao k: Tụ nối M:Mẫu thí nghiệm TH: Bộ lấy tín hiệu FA: bộ phân áp KĐ: Bộ khuyếch đại
3.2.1. Nguồn điện áp và dây nối vào mạch.
Khi cần điện áp lớn thì sử dụng máy biến áp. Máy biến áp đảm bảo không xảy ra hiện tượng phóng điện cục bộ ở đầu ra cũng như trong cuộn dây.
Trong những trường hợp thử nghiệm không cần điện áp cao thì sử dụng nguồn điện áp với đầu ra có thể điều chỉnh, linh hoạt và thuận tiện cho việc thao tác.
Các dây nối có khả năng chống nhiễu cao, đảm bảo không xảy ra phóng điện cục bộ.
Các dây nối trong mạch phần cao áp dùng ống nhôm. Còn dây nối phần hạ áp dùng dây mềm.
3.2.2. Bộ lọc tần số
Để đảm bảo kết quả đo không bị nhiễu, ta cần phải loại bỏ (hạn chế) nhiễu, đảm bảo nguồn cao áp đưa vào hầu như chỉ còn tần số 50Hz. Bộ lọc sử dụng là bộ lọc tần số thấp.
Ngoài ra, sử dụng bộ lọc sẽ tạo dạng sóng hình sin, thuận lợi cho việc quan sát thời điểm xảy ra phóng điện cũng như số xung phóng điện trong 1 chu kỳ.
Sơ đồ nguyên lý mạch lọc tần thấp: R U a, Sơ đồ nguyên lý Mạch lọc tần số thấp có tác dụng lọc dải tần từ 0-ω0 là tần số cắt. Tại đó, biên độ điện áp ra là 1+(ωRC)2
càng cao thì độ suy giảm càng mạnh.
Áp dụng mô hình này vào sơ đồ thí nghiệm ta có thể tận dụng được tụ k trong vai trò của C, đồng thời các thành phần điện dung đằng sau cũng tham gia vào mạch lọc tần số.
Mức suy giảm điện aps ở tần số cắt là 2 . Khi tần số cắt nhỏ hơn 50 Hz thì mức suy giảm điện áp ở tần số 50 Hz là tương đối lớn, như vậy R sẽ chịu điện áp rơi trên nó rất lớn. Còn nếu tần số cắt lớn hơn 50Hz thì mức chênh lệch sẽ bớt nhưng kém hiệu quả trong việc giảm thành phần sóng hài bậc cao.
Để tăng hiệu quả lọc ta dùng hai tầng lọc:
R1 R2
U C k+a
Hình 3.4 : Bộ lọc tần số. 3.2.3. Bộ phân áp.
Để xác định điện áp đặt lên cách điện, ta dùng bộ phân áp vì không thể đo trực tiếp giá trị điện áp cao. Bộ phân áp sẽ sử dụng 2 tụ điện mắc nối tiếp (C2 và C3). Bộ phân áp được mắc song song với mẫu thí nghiệm. Để bộ phân áp không ảnh hưởng đến thông số chung của toàn mạch, ta sẽ dùng 1 tụ điện có điện dung rất nhỏ cỡ pF, tụ còn lại cỡ nF.
Vậy với điện áp đặt lên mẫu thí nghiệm là U2 thì điện áp đo ở đầu phân áp:
UC3 =U2 C2
C2 +C3
Do đó, giá trị điện áp đặt lên mẫu có thể tính thông qua điện áp đo được ở đầu phân áp ra qua biểu thức:
UC2 =U3
C2 +C3
C 2
Với các thông số chọn (giá trị trên tụ) thì thay vào biểu thức ta tính được giá trị điện áp đặt trên mẫu U2
3.2.4 Bộ lấy tín hiệu
Bộ lấy tín hiệu là một điện trở R. Với cách chọn này thì mô hình mạch đơn giản và lấy được xung phóng điện cục bộ.
Sơ đồ thay thế Lapace tính toán giá trị điện áp trên R:
∆U p E C B R1 1 pC1
Hình 3.5:Sơ đồ thay thế Laplace khi khe hở bị nối tắt Tổng trở Laplace đoạn CB:
Z (p) =
CB
Tổng trở Laplace trên EB:
ZEB( p) = pa1 //(R1 + ZCB ( p)) Tổng trở Laplace đoạn AE 1 Z AE (p ) = pb + Z EB / (p ) 1 Z AE (p) = pb ZAE = 1 . p 2 pb
Vì a>>b nên a+b~a do đó
ZAE(p ) ≈ pb1 Từ đó ta có dòng điện qua b:
Ib ( p) = ∆
Điện áp rơi trên R U R ( p) = I b ( p)Z EB( p) .R R +Zcb ( p)
Biến đổi điện áp ngược ta nhận thấy trong khoảng thời gian rất nhỏ thì giá trị thu được của UR xấp xỉ với giá trị tính toán khi bỏ qua R1 và C1 trong sơ đồ
Do đó, có thể coi dạng tín hiệu không thay đổi khi có thêm bộ lọc 3.2.5 Bộ khuyếch đại
Các tín hiệu đo được rất nhỏ, khó khăn cho quá trình hiển thị và xem thông số, nên việc khuếch đại tín hiệu là rất cần thiết.
Toàn bộ phần khuếch đại được đặt trong hộp nhôm nối đất để chống nhiễu không mong muốn từ bên ngoài
Bên cạnh đó, dùng thêm một bộ lọc tần sao cho tín hiệu đi vào bộ khuếch đại chỉ còn là tín hiệu phóng điện cục bộ
a, Bộ lọc tín hiệu 50 Hz:
U1
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý bộ lọc tín hiệu 50Hz
U5
t
Hình 3.7 :Dạng tín hiệu xung phóng điện cục bộ sau khi qua bộ lọc b,Bộ phận thay đổi dạng tín hiệu
Sau khi loại bỏ tín hiệu điện áp tần số 50Hz thì ta sẽ còn thành phần hàm mũ của xung phóng điện cục bộ. Thành phần này sẽ không khuếch dại được với độ chính xác cao, đặc biệt sẽ không đảm bảo được biên độ tín hiệu đầu ra với lý
do một trong những đại lượng cần quan tâm của bộ khuếch đại là tốc độ đáp ứng (V/µs , đại lượng này là có giới hạn trong khi dạng hàm mũ để khuếch đại được thì về nguyên tắc tốc độ đó phải là vô cùng, điều này làm cho bộ khuếch đại hoạt động không chính xác. Do đó phải thay đổi dạng tín hiệu.
U5 R4
C6 U6
Hình 3.8: Bộ thay đổi dạng sóng Dạng tín hiệu sau khi thay đổi dạng sóng như sau:
U6
t
Hình 3.9: Tín hiệu sau khi đã được thay đổi dạng sóng
Như vậy, tín hiệu sau khi đã biến đổi sẽ có giá trị đỉnh chậm sau tín hiệu ban đầu 1 khoảng thời gian sao cho bộ khuếch đại có thể làm việc được.
Sử dụng ICTL084 cho bộ khuyếch đại.
Có thể tổng hợp sơ đồ mạch chính như sau: R1 R2 U~ C1 pre-amp R5 R 6
b) Tổng hợp các kết quả đo khi thay đổi mẫu thí nghiệm : Dạng mẫu C thay thế Cực epoxi phíp sợi thủy tinh download by : skknchat@gmail.com
• Kết luận:
- Điện áp ra của khuếch đại từ 0-10V
- Xung điện áp khi có phóng điện cục bộ xuất hiện nhanh từ 10-6 đến 10-8 s
- Sai số của giá trị đỉnh giữa lý thuyết và thực tế không nhiều
- Thực hiện được trên một số vật liệu cách điện nhất định để so sánh giữa lý thuyết và thực tế
3.3. THIẾT KẾ BỘ ANALYSER ĐƠN GIẢN
Hiển thị kết quả đo trên màn hình tinh thể lỏng, (có thể thay đổi vài chế độ bằng key), có tín hiệu đèn nháy báo hiệu khi xuất hiện quá trình phóng điện cục bộ.
3.3.1, Sơ đồ khối của Analyser
From
pre-amp
Absolute Value
Hình 3.11 : Sơ đồ khối của Analyser. (SOC – Start of Conversion; EOC – End of Conversion; Vi – Pulse height in Volts)
Hệ thống bao gồm :
+ Absolute Value Detector : Mạch trị tuyệt đối hóa giá trị của tín hiệu ra của bộ Detector, chuyển phần tín hiệu âm thành tín hiệu dương để phù hợp với đầu vào của ADC
+ Peak detector: Nhận tín hiệu và giữ lại xung đỉnh (Giá trị max của điện
áp)
+ Threshold Detector & Polarity Detector: Phần nhận biết ngưỡng và cực của tín hiệu (dấu giá trị đo)
+ ADC 12 bít tốc độ nhanh : Chuyển đổi tín hiệu từ analog sang tín hiệu số dưới dạng nối tiếp
+MCU: Phần vi xử lý: Được lập trình để điều khiển ADC, LED, hiển thị ra màn hình tinh thể lỏng, xuất dữ liệu ra cổng RS232, nhận tín hiệu từ các keyboard
3.3.2, Các phần thiết kế chi tiết:
+ Absolute Value Detector:
Hình 3.12 : Sơ đồ nguyên lý bộ tuyệt đối hóa giá trị xung PD
Bộ Absolute Value Detector thực chất là bộ chỉnh lưu chính xác, tạo xung dương ở đầu ra. Bộ khuếch đại thuật toán có nhiệm vụ lặp tín hiệu, tránh điện áp rơi trên D1,D2.(~0,7 V).
Nếu tín hiệu ra từ Detector chỉ khoảng ≤0,7 V thì cũng không bị mất
(a) (b)
Tín hiệu trước (a) và sau (b) bộ Absolute Value Detector Hình3.13: Tín hiệu vào và ra bộ Absolute Value Detector Tín hiệu ra là tín hiệu có giá trị lớn hơn không.
Các IC sử dụng trong mạch:
a) b)
Hình 3.14 : Các IC sử dụng trong mạch : a) TL084 dạng chíp 14 chân; b) Diot 1N4148
TL084 có 4 con khuyếch đại thuật toán trong 1 dip:
+ Chân 4: +Vcc/ Nguồn nuôi +12V
+Chân 11: -Vcc/ Nguồn nuôi -12V TT
Con thứ nhất UA
Con thứ hai UB
Dip TL084 bao gồm 4 con khuyếch đại trong phần này sử dụng B và D (2 và 4)
Kết quả trên mạch đã thiết kế: *Tín hiệu đầu vào âm
Với tín hiệu đầu vào:-2,5 V (1) Đầu ra: +2.48V
1
2
(Chụp lại trên Ocsillocope số) 1: Tín hiệu vào 2: Tín hiệu ra
Hình 3.16: Tín hiệu đầu ra của bộ Absolute Value Detector khi giá trị đầu vào là giá trị âm
* Tín hiệu đầu vào dương
Với tín hiệu đầu vào: +1,49 V (1) Đầu ra: +1,5V (2)
1
2
Hình 3.17: Tín hiệu đầu ra của bộ Absolute Value Detector khi giá trị đầu vào là giá trị dương
Nhận xét: Tín hiệu đầu ra đã được trị tuyệt đối hóa và không bị điện áp rơi trên Diot, sai lệch không đáng kể
+ Peak detector:
Hình 3.18 : Bộ giữ đỉnh xung (giữ lại giá trị max)
Sau khi được chuyển thành tín hiệu +, phần mạch này giữ lại giá trị đỉnh (giá trị lớn nhất của xung) cho đến khi MCU có tín hiệu yêu cầu reset. Giá trị đỉnh được nạp vào tụ C10, khi có tín hiệu reset sẽ thúc đẩy quá trình xả tự nhiên của tụ nhanh hơn để tiến hành lần đo mới/ mở FET thông đất để xả tụ.
lưu lại nhờ tụ
xả tụ
(a) (b)
Tín hiệu trước (a) và sau (b) bộ Peak detector
Hình 3.19: Tín hiệu trước và sau bộ Peak Detector (giữ đỉnh xung) * Sơ đồ chân các linh kiện khác :
Hình 3.20 : Sơ đồ chân của tranzito MPSA42/TO
Kết quả trên mạch đã thiết kế:
*Xung nhận được từ Detector là xung âm được trị tuyệt đối hóa qua Absolute Value Detector thành giá trị dương :
Đầu vào:2,51 V (Xung đinh) Đầu ra 1,1 V
Hình 3.21: Tín hiệu đầu ra của bộ Peak Detector khi nhận được xung âm đã được trị tuyệt đối hóa
*Xung nhận được từ Detector là xung dương : Đầu vào:1,45V Đầu ra 760mV
Hình 3.22: Tín hiệu đầu ra của bộ Peak Detector khi nhận được xụng dương
Nhận xét: Dù Pre-amp (tín hiệu đầu vào) là âm hay dương thì giá trị đầu ra vẫn là giá trị dương phù hợp với dải điện áp của AD7895
* TL084 được dùng chung Absolute Value Detector và Peak detector trong 1 dip gồm 4 con đã được giới thiệu ở phần trên.(sử dụng con 3 và con 1)
Hình 3.23 : Sơ đồ nguyên lý hai khối biến đổi giá trị xung PD Đầu ra của 2 khối, giá trị điện áp đỉnh được đưa vào chân 2 (Vin) của AD7895 để biến đổi thành tín hiệu số 12 bit trước khi đưa vào vi xử lý.
+ Threshold Detector & Polarity Detector:
Phần mạch này xác định dấu + (–) cho giá trị đo được hiển thị ra màn hình tinh thể lỏng, xác định thời điểm đọc giá trị điện áp đã được số hóa từ AD vào MCU thông qua giao diện nối tiếp
Hình 3.24 :Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dấu và ngắt cho MCU
Đầu ra của bộ Threshold Detector & Polarity Detector được đưa vào chân 12 và chân 13 của MCU (hai chân INT0-INT1)
Mạch phân áp từ +12 V và -12V tạo ra điện áp so sánh ở con U8 khoảng 0,3V. Nếu điện áp quá 0,3 V thì đầu ra thay đổi trạng thái chuyển từ 5V xuống 0V Tương tự nếu điện áp tại con 9 <-0,3 V thì đầu ra chuyển trạng thái từ 0-5V
+0,3 V Tín hiệu vào U8
U8
U9
Hình3.25: Đầu vào và đầu ra của bộ so sánh điện áp L311 Các IC sử dụng trong mạch:
LM311: So sánh điện áp
Hình 3.26 : Sơ đồ chân linh kiện của LM311 Hoạt động:
- Với điện áp cung cấp +5 V
- Dòng vào 150nA max khi quá nhiệt
- Dải điện áp vào khác nhau:±30V
- Điện áp tiêu thụ:135mW tại ±15V
- Dòng ra:50mA Mô tả chân linh kiện: Chân 1 2 3 4 5 6 7 8
Kết quả trên mạch thiết kế: * Tín hiệu đầu vào âm :-2,5V (1)
Hình 3.27: Tín hiệu đầu vào âm và ra mức 5 của U9 của bộ Threshold Detector & Polarity Detector
* Với tín hiệu đầu vào dương: +1,5V (1) Đầu ra:0V (2)
Hình 3.28: Tín hiệu đầu vào và ra của U8 của bộ Threshold Detector & Polarity Detector
+ADC: Chuyển đổi giá trị đỉnh của xung thành tín hiệu số :
Hình 3.29: Sơ đồ nguyên lý AD7895.
Hình 3.30: Sơ đồ chân AD7895 Đặc điểm:
+ Là loại chuyển đổi ADC 12 bít với thời gian rất nhanh (3μs)
+ Loại chip 8 chân
+ Điện áp cung cấp +5V
+ Tốc độ cao, dễ sử dụng, giao diện nối tiếp
+ Đầu vào có thể thay đổi trong khoảng 0-10V
+ Điện trở đầu vào lớn
+Công suất tiêu thụ nhỏ Bảng 3.1 : Mô tả chân của AD7895
TT Chân 1 REF IN 2 VIN 3 GND 4 SCLK 5 SDATA 6 BUSY
7 CONVST Bắt đầu chuyển đổi
8
AD7895 hoạt động tại Mode 1, liên tục biến đổi tín hiệu đưa tới MCU xử lý
Xung nhịp SCLK nhận từ chân 8 của MCU (pin SCK)
Sau khi chuyển đổi các bít dữ liệu từ chân 5: SDATA được đưa vào chân 7 (MISO) của chíp vi xử lý trước khi hiển thị ra led (vào giao diện SPI để đọc dữ liệu vào VXL)
Các bit khác như BUSY (Chân 6) vào chân 15 của MCU ( pin PD5) nhận trạng thái chuyển đổi của AD
CONVST (chân 7) vào chân 33 của MCU (pin AD6) Cơ chế hoạt động của AD7895:
Hình 3.31 : Sơ đồ chuyển đổi dữ liệu của AD7895 theo mode 1 Mode 1: lấy mẫu với tốc độ cao
Tại sườn xuống của CONVST bắt đầu quá trình chuyển đổi, BUSY chuyển trạng thái, khi BUSY chuyển sang trạng thái thấp, tín hiệu mới cho quá trình chuyển đổi bắt đầu, quá trình này bao gồm 16 xung clock và độ rộng phụ thuộc vào tần số clock. Ở tốc độ nhanh nhất (tần số xung clock 15MHz,+5V) thì quá trình đọc lên tới 1,1µs
Hình 3.32 : Sơ đồ chuyển đổi dữ liệu của AD7895 theo mode 2 Mode 2: Tự động sleep sau khi chuyển đổi
Khi CONVST chuyển đổi trạng thái thì tại sườn xuống của nó BUSY chuyển trạng thái, tiếp theo, tại sườn xuống của BUSY thì quá trình chuyển đổi bắt đầu diễn ra trong vòng 16 xung clock, dữ liệu vẫn có thể đọc cho tới khi có xung chuyển đổi mới của BUSY.
AD7895 có 3 tín hiệu:
+SCLK: serial clock input: Lựa chọn AD, cho xung nhịp để bắt đầu hoạt động
+SDATA: serial data ouput: tín hiệu ra nối tiếp
+ BUSY:Conversion status ouput: Trạng thái chuyển đổi của đầu ra
Ba chân này làm cho quá trình sử dụng dễ dàng hơn khi tạo giao diện với các chíp vi xử lý, thanh ghi dịch.
Hình 3.33 : Chuyển đổi dữ liệu theo xung nhịp
SCLK cung cấp xung nhịp cho giao diện nối tiếp, sau 4 xung đầu bằng 0 thì quá trình chuyển đổi bắt đầu và bít data 11 sẽ bắt đầu ở sườn xuống của xung nhịp thứ 4, kết thúc với bit data 0 ở sườn xuống của xung nhịp 16, lúc này chân SDATA chuyển trạng thái (disable)
Giao diện đơn giảnvới họ VXL 8XXX:
Hình 3.34 : Giao diện với họ vi xử lý 8XXXX
Họ vi xử lý 8x được thiết kế Mod 0 là mode dùng cho giao diện nối tiếp.Sơ đồ trên cho ta biết kiểu kết nối đơn giản nhất của AD và chíp vi xử lý họ 8XXX
Tín hiệu BUSY thông báo cho chip VXL chip A/D đang trong quá trình