- Chọn IC ổn áp
3.3 Bộ biến đổi ADC
Các tín hiệu trong tự nhiên thường gặp như ánh sáng, nhiệt độ, âm thanh,… đều tồn tại dưới dạng tín hiệu tương tự (analog), tức là tín hiệu liên tục và có các
khoảng chia vơ hạn. Mà trong vi điều khiển chỉ có khái niệm số, cấu trúc từ nhân đến bộ nhớ hoạt động dựa trên các Transistor chỉ có 2 mức logic 0 và 1. Vậy làm thế nào để vi điều khiển hiểu và đọc được tín hiệu này? Đó chính là ứng dụng của bộ chuyển đổi tương tự - số (Analog to Digital Converter - ADC).
Hình 3. 23 Bộ ADC
Một cách rất hay để xem xét hoạt động của ADC là tưởng tượng nó như một bộ chia tỷ lệ toán học. Tỷ lệ về cơ bản là ánh xạ các giá trị từ dải này sang dải khác, vì vậy ADC ánh xạ một giá trị điện áp sang một số nhị phân.
Những gì chúng ta cần là một thứ có thể chuyển đổi điện áp thành một loạt các mức logic, ví dụ như trong một thanh ghi. Tất nhiên, các thanh ghi chỉ có thể chấp nhận các mức logic làm đầu vào, vì vậy nếu chúng ta kết nối tín hiệu trực tiếp với đầu vào logic, kết quả sẽ khơng tốt. Vì vậy cần có một giao diện ở giữa logic và điện áp đầu vào analog.
Hình 3. 24 Hoạt động của bộ ADC
Điện áp tham chiếu
Tất nhiên, khơng có ADC nào là tuyệt đối, vì vậy điện áp được ánh xạ tới giá trị nhị phân lớn nhất được gọi là điện áp tham chiếu. Ví dụ: trong bộ chuyển đổi 10 bit với 5V làm điện áp tham chiếu, 1111111111 (tất cả các bit một, số nhị phân 10 bit cao nhất có thể ) tương ứng với 5V và 0000000000 (số thấp nhất tương ứng với 0V). Vì vậy, mỗi bước nhị phân lên đại diện cho khoảng 4,9mV, vì có thể có 1024 chữ số trong 10 bit. Số đo điện áp trên mỗi bit này được gọi là độ phân giải của ADC.
Điều gì sẽ xảy ra nếu điện áp thay đổi dưới 4,9mV mỗi bước? Nó sẽ đặt ADC vào vùng chết, do đó kết quả chuyển đổi ln có một lỗi nhỏ. Có ngăn chặn lỗi này bằng cách sử dụng ADC có độ phân giải cao hơn ví dụ như bộ ADC lên đến 24 bit, mặc dù tần số chuyển đổi thấp.
Tốc độ mẫu
Số lượng chuyển đổi từ analog sang kỹ thuật số mà bộ chuyển đổi có thể thực hiện mỗi giây được gọi là tốc độ mẫu. Ví dụ: một bộ ADC thực sự tốt có thể có tốc độ mẫu là 300Ms / s. Đơn vị này được đọc là megasamples trên giây, nghĩa là một triệu mẫu mỗi giây. Lưu ý rằng tiền tố SI áp dụng ở đây.
Tốc độ lấy mẫu phụ thuộc hoàn tồn vào loại bộ chuyển đổi và độ chính xác cần thiết. Nếu cần đọc rất chính xác, ADC thường dành nhiều thời gian hơn để xem xét tín hiệu đầu vào (thường là lấy mẫu và giữ hoặc đầu vào tích hợp) và nếu khơng cần độ chính xác cao thì nó có thể đọc rất nhanh.
Nguyên tắc chung là tốc độ và độ chính xác tỷ lệ nghịch với nhau, điều quan trọng là phải chọn ADC tùy thuộc vào ứng dụng.
Phân loại ADC:
Flash ADC
Đây là loại ADC đơn giản nhất và nhanh nhất, nó bao gồm một loạt các bộ so sánh với các đầu vào không đảo ngược nối với đầu vào tín hiệu và các chân đảo ngược nối với một thang chia điện áp
Tuy nhiên, nếu điện áp cao hơn một trong các mức của bậc thang, tất cả các bit đầu ra dưới mức được đặt thành một, vì điện áp trên ngưỡng đối với các bộ so sánh dưới cùng. Để giải quyết vấn đề này, các đầu ra được cấp qua bộ mã hóa ưu tiên chuyển đổi đầu ra thành nhị phân
Tốc độ chỉ bị giới hạn bởi độ trễ truyền của bộ so sánh và bộ mã hóa ưu tiên. Tuy nhiên, độ chính xác là vừa phải
ADC tích hợp đếm hoặc độ dốc
Tại đây, một mạch tạo đoạn dốc được bắt đầu tại thời điểm chuyển đổi và bộ đếm nhị phân được khởi động cùng lúc. Một bộ so sánh sẽ phát hiện khi đoạn dốc vượt quá điện áp đầu vào và dừng bộ đếm nhị phân. Bộ đếm nhị phân thu được tỷ lệ với mức độ điện áp đầu vào.
Độ chính xác tuyệt đối của bộ chuyển đổi này vẫn là một câu hỏi, tuy nhiên nó thực hiện đơn giản và cho độ phân giải tốt, khoảng cách đều giữa các bước nhị phân. Nếu khơng có chip, mạch này có thể được tạo riêng lẻ.
ADC ước lượng kế tiếp
Bộ ADC này có lẽ là chính xác nhất. Nó bao gồm một bộ so sánh, một bộ DAC flash đơn giản và một thanh ghi bộ nhớ. Thiết bị ban đầu giả định tất cả các bit trong thanh ghi ngoại trừ bit có ý nghĩa cao nhất (là một) là số 0. Sau đó thanh ghi này sẽ gửi nó đến DAC chuyển nó thành điện áp analog, được so sánh với đầu vào thông qua bộ so sánh. Nếu điện áp đầu vào cao hơn điện áp DAC, thì MSB vẫn
là một. Quá trình này lặp lại cho đến khi tất cả các bit có được đặt thành khơng hoặc một, nói cách khác cho đến khi giá trị thanh ghi bằng điện áp đầu vào
ADC này là một trong những ADC thường được sử dụng nhất khi cần độ chính xác và tốc độ khơng q giới hạn, ví dụ như trong vi điều khiển. ADC loại SA có thể dễ dàng đạt được thời gian chuyển đổi vài micro giây.
Sử dụng ADC trong arduino
ADC lấy điện áp tương tự và chuyển đổi chúng thành kỹ thuật số, và đưa chúng đến bộ vi điều khiển. Trong bảng Arduino NANO, có một bộ ADC 10-bit đa kênh. Ở đây, 10-bit có nghĩa là điện áp đầu vào 0-3.3V hoặc 0-5V được ánh xạ thành các giá trị kỹ thuật số trong phạm vi từ 0 đến 1023 (Vì 2^10 = 1024).
Trên Arduino NANO có tổng cộng 6 chân ADC. Các chân này là A0, A1, A2, A3, A4 và A5.
Trong lập trình Arduino, chúng ta sẽ sử dụng hàm analogRead () để đọc và chuyển đổi điện áp tương tự thành kỹ thuật số.
Cú pháp là:
analogRead (Pin_name).
Hàm analogRead() luôn trả về 1 số nguyên nằm trong khoảng từ 0 đến 1023 tương ứng với thang điện áp (mặc định) từ 0 đến 5V. Chúng ta có thể điều chỉnh thang điện áp này bằng hàm analogReference().
Hàm analogRead() cần 100 micro giây để thực hiện.
3.4 Relay
Relay là một công tắc điện từ được vận hành bởi một dịng điện tương đối nhỏ có thể bật hoặc tắt một dịng điện lớn hơn nhiều. Trái tim của relay là một nam châm điện (một cuộn dây trở thành một nam châm tạm thời khi dòng điện chạy qua nó). Chúng ta có thể nghĩ về relay như một loại địn bẩy điện: Khi bật nó bằng một dịng điện nhỏ và nó bật (“địn bẩy”) một thiết bị khác sử dụng dịng điện lớn hơn nhiều.
Hình 3. 25 Relay và module relay
Relay [ rơ-le ] bao gồm 3 khổi cơ bản.
– Khối tiếp thu (cơ cấu tiếp thu): Có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu đầu vào và sau đó biến nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối trung gian.
– Khối trung gian (cơ cấu trung gian): Tiếp nhận thông tin từ khối tiếp thu và biến đối nó thành đại lượng cần thiết cho rơ le tác động
– Khối chấp hành (cơ cấu chấp hành): làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển.
Các loại relay trên thị trường:
Trên thị trường hiện nay sẽ có hai dạng relay là module rơ-le đóng ở mức thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng) và module rơ-le đóng ở mức cao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng). Nếu chúng ta so sánh giữa 2 module rơ-le có cùng thơng số kỹ thuật thì hầu hết mọi linh kiện của nó đều giống nhau, chỉ khác nhau ở phần transistor của mỗi module. Chính vì bộ phận transistor này nên ta mới có được 2 loại module rơ-le (có 2 loại transistor là NPN – kích ở mức cao, và PNP – kích ở mức thấp).
Hình 3. 26 các loại relay
Các thông số của module rơ – le cũng chính là các thơng số của hai bộ phận cấu thành nên chúng là rơ – le và transistor. Cụ thể thì chúng sẽ có các thơng số như sau:
Hiệu điện thế kích tối ưu:
Thơng số này khá quan trọng vì nó sẽ quyết định đến chuyện cái relay của chúng ta có sử dụng được hay khơng. Chẳng hạn như chúng ta cần một module relay sẽ làm nhiệm vụ bật tắt một bóng đèn có điện áp 220V khi trời tối từ một cảm biến ánh sáng hoạt động ở mức 5 -12V. Lúc này thì chúng ta bảo họ bán loại module relay 5V (5 volt) hoặc module relay 12V (12 volt) kích ở mức cao. Có như thế thì mới hoạt động tốt được nhé.
Hiệu điện thế và cường độ dòng điện tối đa:
Đây là các thơng số thể hiện mức dịng điện cũng như hiệu điện thế tối đa của các thiết bị mà chúng ta muốn đóng/ngắt có thể đấu dây với rơ – le. Và thường chúng sẽ in lên trên thiết bị để chúng ta quan sát, đại loại như hình bên dưới.
Hình 3. 27 Ví dụ minh hoạ
1. 10A – 250VAC: cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le là 10A với hiệu điện thế 250VAC
2. 10A – 30VDC: cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le là 10A với hiệu điện thế 30VDC
3. 10A – 125VAC: cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le là 10A với hiệu điện thế 125VAC
4. 10A – 28VDC: cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le là 10A với hiệu điện thế 28VDC
Hình 3. 28 Sơ đồ mạch nguyên lý
Một số cách hạn chế nhiễu bằng chính quy trình thiết kế PCB • Đi dây có ít lỗ xun Via nhất
• Đi dây lớn hơn với đường nguồn và nhỏ hơn với đường tín hiệu. • Hạn chế đường tín hiệu bẻ góc 90 độ, nếu có thì hãy làm mượt nó • Giữa tụ bypass nguồn của IC không nên đi xuyên via mà hãy đi via ở sau tụ
• Khơng được đi dây dưới thạch anh dao động • Sau khi thiết kế, phủ mass GND toàn mạch