nghiên cứu, ứng dụng công nghệ fpga để xây dựng thiết bị đo lường số

theo mức và các sai số khác của thiết bị đo số đợc quy về đầu vào; bộ lợng tử hoá tínhiệu đầu ra theo thời gian hình 1.3.Hình 1.3: Biểu diễn thiết bị đo số ở dạng tơng tự có tín hiệu tác

Mở đầu

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, yêu cầu về độ chính xác vàtốc độ xử lý trong kỹ thuật đo lờng ngày càng đòi hỏi cao hơn Điều đó không chỉxuất phát từ yêu cầu kỹ thuật của các hệ thống thiết bị hiện đại mà còn từ nhu cầu vềlợi ích kinh tế và những đòi hỏi ngày càng khắt khe của ngời tiêu dùng

Thiết bị đo lờng số đợc phát triển trên nền tảng kỹ thuật số và công nghệ chếtạo vi mạch đã cải thiện đáng kể các chỉ tiêu về độ tin cậy, độ chính xác và tốc độ đo

so với các thiết bị đo tơng tự Sự ra đời của công nghệ mảng các cổng có thể lập

trình theo các lĩnh vực Field Programmable Gate Array (viết tắt là FPGA) đã, đang

mở ra triển vọng mới trong thiết kế, chế tạo các thiết bị đo lờng hiện đại với các vimạch tổ hợp Với kết cấu linh động có khả năng lập trình nên thực hiện thiết bị đo l-ờng số trên một vi mạch tổ hợp FPGA cho phép nâng cao tốc độ xử lý tín hiệu trongthời gian thực

Thiết bị đo số với công nghệ FPGA không chỉ giải quyết tốt bài toán về tínhkinh tế, do tính mềm dẻo trong thiết kế và giá thành ngày càng giảm với sự pháttriển của công nghệ tích hợp, mà còn đáp ứng đợc các chỉ tiêu kỹ thuật cao Với

những lý do nêu trên tôi chọn luận văn: “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ FPGA

để xây dựng thiết bị đo lờng số” Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu các vấn đề

sai số và xử lý sai số trong đo lờng, cũng nh nghiên cứu các thiết bị phần cứng vàphần mềm hệ phát triển FPGA của hãng Xilinx Từ đó ứng dụng công nghệ FPGA

để xây dựng bộ lọc số FIR cho thiết bị đo lờng số

Nội dung của luận văn gồm ba chơng:

Chơng I : Sai số và xử lý sai số trong đo lờng

Nội dung của chơng là nghiên cứu về sai số, nguồn gốc của sai số và các

ph-ơng pháp xử lý sai số nhằm nâng cao độ chính xác của thiết bị đo

Chơng II : Nghiên cứu công nghệ FPGA

Nội dung của chơng là nghiên cứu thiết bị công nghệ FPGA của hãng Xilinx,

vấn đề lập trình có cấu trúc với ngôn ngữ lập trình mô tả phần cứng VHSIC Hardware Description Languages, VHDL, các đặc trng của phần mềm thiết

kế ISE, phần mềm mô phỏng ModelSim và các bớc thiết kế vi mạch tổ hợpdựa trên công nghệ FPGA với ISE

Chơng III : ứng dụng công nghệ FPGA để xây dựng thiết bị đo số

Nội dung của chơng là nghiên cứu về thiết bị đo số, bộ lọc số và các phơngpháp tổng hợp bộ lọc số FIR Từ đó thiết kế bộ lọc số FIR của thiết bị đo l-ờng số theo phơng pháp cửa sổ Kaiser, viết chơng trình của bộ lọc bằng ngôn

ngữ VHDL cho Spartan 3 XC3S200 và mô phỏng bộ lọc đã đợc thiết kế dùngMathLab và ModelSim.

Chơng I Sai số và xử lý sai số trong đo lờng 1.1 Sai số và nguồn gốc của sai số

Sai số của phép đo là kết quả của phép đo trừ đi giá trị thực của đại lợng đo i

x là giá trị thực của đại lợng đo.

Vì giá trị thực là không thể xác định nên trong thực tế dùng “giá trị thực quyớc” Giá trị thực quy ớc là giá trị quy cho một đại lợng riêng biệt và đợc chấp nhận,

đôi khi bằng thoả ớc, có độ không bảo đảm phù hợp với mục đích đã chọn

Sai số của thiết bị đo lờng chỉ có thể xác định trong mối liên hệ với các

ph-ơng pháp và thiết bị đo lờng cụ thể Sai số của kết quả đo bị quy định bởi nhiều đặc

điểm của quá trình đo lờng Những nhân tố cơ bản gây ra sai số đo là: sự khôngtuyến tính của đặc tính biến đổi đo lờng của bộ cảm biến, ảnh hởng của nhiễu và tạp

âm đến tín hiệu đo, sự không ổn định và tính phi tuyến của kênh xử lý tín hiệu đo,

sự không tuyến tính của thiết bị chỉ thị kết quả đo, sai số gây bởi phơng pháp đo, sai

số chủ quan của ngời thực hiện phép đo v.v…

Sai số của thiết bị đo phản ảnh đặc trng của thiết bị, tính chất vật liệu của cácphần tử, đặc điểm của công nghệ sản xuất, điều chỉnh, khắc độ Để làm sáng tỏ mọivấn đề liên quan đến sai số của thiết bị đo trớc tiên cần phải xác định các khái niệm

về thiết bị đo lờng

Thiết bị đo là thiết bị có chức năng biến đổi đại lợng đa đến đầu vào thành tínhiệu mang thông tin về số lợng Trong trờng hợp tổng quát, một quá trình thời gianbất kỳ đa đến đầu vào của thiết bị đo có nhiều tham số, thiết bị đo chỉ xác định mộttrong các tham số này (hoặc hàm của tham số này) gọi là tham số đo (hay tham sốmang tin hay còn đợc gọi là đại lợng vào) của quá trình vào

Quá trình vào đặc trng bởi nhóm tham số nào đó Điện áp, một quá trình nhvậy, là hàm ngẫu nhiên theo thời gian, đợc đặc trng bởi các tham số: phổ tần số (hayhàm tự tơng quan), giá trị hiệu dụng, giá trị trung bình và giá trị đỉnh Các tham sốnày là tổng hợp các giá trị tức thời trên các khoảng thời gian xác định Một trongcác tham số đó hay giá trị tức thời là đại lợng vào thiết bị đo

Mọi tham số của quá trình vào, cả tham số mang tin lẫn tham số không mangtin, đều có thể thay đổi, do đó đợc đặc trng bởi phổ tần số Phổ tần số phản ánh dải

động của các quá trình này Trờng hợp đơn giản nhất, đại lợng đầu vào đồng nhấtvới quá trình vào, cụ thể giá trị tức thời của điện áp là đại lợng vào thì nó trùng vớiquá trình vào

Tín hiệu đầu ra thiết bị đo mang thông tin về giá trị của đại lợng vào (trongtrờng hợp tổng quát nó đợc đặc trng bởi nhiều tham số mang thông tin đo lờng gọi làtham số mang thông tin của tín hiệu ra thiết bị đo, ví dụ tần số dao động của tín hiệu

ra (tín hiệu đợc đặc trng bởi biên độ và dạng dao động) là tham số mang thông tincủa tín hiệu vào một bộ biến đổi một đại lợng nào đó thành tần số

Nh vậy thiết bị đo có chức năng biến đổi tham số mang thông tin của quátrình vào thành tham số mang thông tin của tín hiệu ra Một thiết bị đo bất kỳ có thểxem là một mạch đợc đặc trng bởi quan hệ phụ thuộc giữa tham số mang thông tincủa tín hiệu ra và đại lợng vào

Khái niệm sai số đôi khi có thể hiểu theo một vài nghĩa khác nhau Nếu coikhái niệm sai số phản ánh tính chất của chỉ bản thân thiết bị thì đó là sai số tĩnh.Còn khái niệm sai số động đặc trng cho mức độ sai lệch giữa quan hệ phụ thuộcthực tế so với quan hệ phụ thuộc lý tởng của tham số mang thông tin của tín hiệu ravào đại lợng vào khi quá trình vào và đại lợng vào thay đổi Các đặc tính này bị quy

định không chỉ bởi tính chất của thiết bị mà còn phụ thuộc vào đặc tính thay đổi củaquá trình vào

Ngời ta sử dụng quan hệ phụ thuộc của tham số mang thông tin của tín hiệu

ra vào đại lợng vào trong điều kiện tần số và dạng dao động của quá trình vào khôngthay đổi (ví dụ các chuỗi xung có tần số chuẩn v.v…) làm đặc tính cơ bản của thiết

bị Sự phụ thuộc này có thể xem nh là sự phụ thuộc tĩnh (nếu quá trình vào là đại ợng không đổi thì quá trình đó gọi là quá trình tĩnh) và gọi là hàm biến đổi thựctĩnh của thiết bị Sự phụ thuộc tham số của hàm vào thay đổi của các nhân tố khác(nh nhiệt độ môi trờng xung quanh) quy định các thành phần sai số đo lờng cónguyên do từ những thay đổi của các tham số đó (ví dụ sai số phép đo do nhiệt độ)

l-Để đánh giá tác động của thiết bị vào sai số động cần phải xem thiết bị là một

hệ thống động và tác động của thiết bị vào sai số động đợc xác định theo dạng hoạt

động và các tham số của nó (gọi là đặc tính động của thiết bị)

Dạng hàm biến đổi tĩnh của thiết bị đo đợc xác định bởi sơ đồ và cấu trúc củathiết bị Các tham số của hàm này đợc xác định bởi tham số của các phần tử sơ đồkhối, cấu trúc của thiết bị và có thể thay đổi không ngẫu nhiên khi các nhân tố bênngoài thiết bị đo thay đổi (ta sẽ ký hiệu những nhân tố này là , ví dụ nh nhiệt độmôi trờng xung quanh thiết bị đo, điện áp nguồn nuôi) hay dới ảnh hởng của một vàitham số không mang thông tin của quá trình vào thiết bị đo Ví dụ ở các máy đo caotần, máy đo tổn hao, việc thay đổi các tham số nh nhiệt độ, độ ẩm không khí, (đốivới máy đo cao tần), nhiệt độ, áp xuất không khí (đối với máy đo tổn hao) làm thay

đổi tín hiệu ra của thiết bị này, cụ thể, là các tham số mang thông tin của nó Cáctham số không mang thông tin của quá trình vào ảnh hởng lên các tham số của hàmbiến đổi thực tĩnh, sau này sẽ ký hiệu qua  Sự thay đổi ngẫu nhiên của tham sốhàm biến đổi thực tĩnh sẽ ký hiệu qua 

Khi sử dụng thiết bị, để xác định kết qủa đo lờng, ngời ta sử dụng đặc tínhbiến đổi danh định, là hàm biến đổi tĩnh lý tởng của thiết bị Đặc tính này ứng vớicác điều kiện sử dụng nhất định: khi tất cả các nhân tố ảnh hởng , là hằng số vàbằng danh định; sai lệch  là hằng số và bằng kỳ vọng toán học (thờng là 0); đại l-ợng vào không đổi (dù có thể nhận giá trị bất kỳ trong dải đo của thiết bị); đại l ợngvào là một tham số của quá trình vào tuần hoàn có tần số danh định Mặc dù đặctính biến đổi danh định ứng với điều kiện bình thờng, song ngời ta thờng dùng trongcác điều kiện làm việc rộng hơn, nên quyết định phần lớn sai số phép đo do sai sốcủa thiết bị

Đặc tính biến đổi danh định có hàm biến đổi tĩnh ứng với các điều kiện sửdụng nhất định Khác với đặc tính khắc độ, đặc tính này là đặc tính mẫu Ng ời taxác định đặc tính khắc độ riêng lẻ đối với mẫu thiết bị đo cụ thể bằng cách khảo sátthực nghiệm mẫu đó ở các điều kiện thông thờng Sự tồn tại sai lệch ngẫu nhiên 

bắt buộc ở bộ phận khắc độ của thiết bị đo phải xử lý thống kê các kết quả nhận đợc

và thiết lập đặc tính khắc độ theo đặc tính trung bình

Đặc tính biến đổi danh định đợc thiết lập khi tổng hợp thiết bị với sơ đồ vàcấu trúc xác định Đặc tính này đợc xác định trớc tiên bằng sơ đồ cấu trúc lý thuyếtcủa thiết bị đo, sau đó, đợc xác định rõ thêm trong nghiên cứu thực nghiệm Do vậy,hàm biến đổi tĩnh của một mẫu thiết bị cụ thể ở điều kiện làm việc bình thờng có thểkhác với đặc tính biến đổi danh định của thiết bị mẫu Khi đó ngời ta điều chỉnh cáctham số của nó để sai lệch của đặc tính biến đổi danh định với hàm biến đổi tĩnh ở

điều kiện làm việc bình thờng là nhỏ nhất có thể Ví dụ, nếu hàm biến đổi tĩnh củathiết bị đo ở điều kiện làm việc bình thờng khác với đờng thẳng không nhiều, thì ng-

ời ta thờng xấp xỉ đặc tính biến đổi danh định bằng đờng thẳng

Thiết bị đo sử dụng trong quá trình đo lờng để xác định giá trị của đại lợngvào theo giá trị của tham số mang thông tin của tín hiệu ra Khi đó đặc tính biến đổidanh định đợc sử dụng Sự sai lệch giữa giá trị danh định với giá trị thực của đại l-ợng vào bị quyết định bởi sai lệch giữa hàm biến đổi thực tĩnh ở điều kiện làm việcthực với đặc tính biến đổi danh định của thiết bị Sai lệch này xác định chất l ợng đolờng của thiết bị Vì vậy sẽ là hợp lý khi định nghĩa sai số thiết bị đo là hiệu số giữa

đặc tính biến đổi danh định và hàm biến đổi thực tĩnh, nó thay đổi theo dải đo Sai

số nh vậy (ta ký hiệu là ) là hàm của tín hiệu đầu vào  =F(x).F(x)

Nh vậy, sai số thiết bị đo là do sai lệch giữa hàm biến đổi tĩnh f0(x) ở điềukiện thờng và đặc tính biến đổi danh định fп(x) , ký hiệu là c, và do sai khác giữa

f0(x) và hàm biến đổi thực tĩnh f(x) (bị quyết định bởi sai lệch ngẫu nhiên  và ảnhhởng của các nhân tố  và tham số )

Sai số thiết bị đo có thể biểu diễn theo tỷ lệ của tham số mang thông tin củatín hiệu ra, ký hiệu là B và theo tỷ lệ của đại lợng vào, ký hiệu là 

1.2 Phân loại sai số của thiết bị đo và các đặc trng

Trong kỹ thuật đo lờng ngời ta thờng phân biệt sai số hệ thống và sai số ngẫunhiên Sai số hệ thống là hàm của các tham số không ngẫu nhiên, các tham số nàygây ra sai lệch hàm biến đổi thực với đặc tính biến đổi danh định Cụ thể, sai số hệthống là sai số bị gây ra bởi sự ảnh hởng của các nhân tố , , thậm chí sai số c.Sai số ngẫu nhiên là sai số không cố định và không thể biết trớc Cụ thể, sai số ngẫunhiên là sai số bị quyết định bởi ảnh hởng của sai lệch 

Phơng pháp làm giảm sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên là rất khác nhau.Sai số hệ thống là đại lợng hay hàm xác định, còn sai số ngẫu nhiên là sai số đợc

đánh giá theo quy luật xác suất và thống kê toán học

Sự phân loại sai số trên về nguyên tắc là đúng song thờng không cho phéptính toán và đánh giá sai số thực của thiết bị đo khi nó đợc khai thác sử dụng trongcác điều kiện thay đổi một cách ngẫu nhiên

Cụ thể sự phân loại trên ta chia chúng ra trên ba nhóm:

Sai số c thuộc nhóm đầu tiên, nó chỉ chịu sự chi phối của sai lệch giữa đặctính biến đổi danh định với hàm biến đổi tĩnh của thiết bị ở các điều kiện thông th -ờng Các sai số này là hàm không ngẫu nhiên của đại lợng đầu vào Điều này đúngcho bất cứ mẫu thiết bị nào Để tổng hợp thiết bị đo có dạng nhất định, sai số c làngẫu nhiên và phụ thuộc vào dung sai cho phép của tham số phần tử thiết bị đo vàcông nghệ và kỹ thuật sản xuất chúng

Sai số thuộc nhóm 2 là hàm xác định của các đối số ngẫu nhiên, trong thực tếchúng là các tham số , Các tham số này là các hàm ngẫu nhiên theo thời gian

Sai số thuộc nhóm thứ 3 là sai số ngẫu nhiên bị quy định bởi ảnh hởng sailệch  Ta có thể phân chúng thành hai nhóm:

+Sai số là hàm tơng quan yếu, hay nói chung, là hàm ngẫu nhiên không tơngquan theo thời gian (phổ rộng), ví dụ, sai số do tạp âm riêng của các phần tử điện tử,bán dẫn của thiết bị đo

+Sai số là hàm ngẫu nhiên tơng quan mạnh (phổ hẹp) gần tần số 0 ví dụ sai

số do tham số của thiết bị đo lờng trôi theo thời gian

Đối với các thiết bị đo làm việc trong thực tế ta thờng xem các nhân tố  và 

là hàm ngẫu nhiên theo thời gian Tuy nhiên chỉ có thể đánh giá sai số khi , đợccho là các hàm xác định Việc xác định giới hạn thay đổi của ,  làm cho việc đánhgiá sai số thiết bị đo không chính xác

Mỗi tham số của hàm biến đổi thực tĩnh là đợc xác định trong sự phụ thuộccủa các tham số với nhau:

1, Quá trình tơng quan пч và không tơng quan вч trong thiết bị đo

2, Các tham số ảnh hởng , là hàm ngẫu nhiên theo thời gian

Nh vậy, sai số của thiết bị =F(x).F(x) thờng đợc xem là hàm ngẫu nhiên theothời gian, có thể viết nó ở dạng =F(x).F(x,t) Khi biết c và các tham số của hàm biến

đổi, là hàm ngẫu nhiên, thì có thể đánh giá =F(x).F(x,t)

Khi xem xét đánh giá sai số của thiết bị đo, là một hàm ngẫu nhiên của tạp

âm riêng  và ,, về nguyên tắc ta sử dụng tất cả các đặc trng пч, вч ,  tronghàm biến đổi thực tĩnh bất kỳ, thậm chí không chỉ đối với thiết bị đo tơng tự mà còn

với thiết bị đo số Tuy nhiên khả năng thực tế của việc sử dụng phơng pháp này bịhạn chế bởi sự phát triển của toán học hiện đại về lý thuyết hàm ngẫu nhiên.

Nếu các hàm ngẫu nhiên đợc tính toán (,) là không dừng thì không thểbiểu diễn chúng ở dạng tổng của kỳ vọng toán học, là hàm không ngẫu nhiên theothời gian, với các hàm ngẫu nhiên tập trung dừng Do đó với công cụ lý thuyết hiện

đại về hàm ngẫu nhiên không cho phép đánh giá hàm ngẫu nhiên kết qủa, là sai sốcủa thiết bị đo Nếu hàm пч, вч , , có thể biểu diễn ở dạng tổng đã chỉ, nhng hàmngẫu nhiên tập trung dừng có các quy luật phân bố khác nhau, thì việc đánh giá sai

số của thiết bị đo là khá phức tạp Ngoài ra, tính egodic của các hàm ngẫu nhiêndừng là điều kiện cần thiết để giải bài toán trên thực tế, trong trờng hợp ngợc lại

đánh giá thực nghiệm các đặc trng, ,пч, вч , là rất khó khăn

Với độ chính xác đảm bảo, trong các mạch thực tế nhiều trờng hợp, пч, вч ,

, có thể biểu diễn ở dạng tổng của các kỳ vọng toán học và các hàm ngẫu nhiêndừng tập trung egodic, các quy luật phân bố đều của nó thờng tiến gần đến quy luậtphân bố chuẩn hay trong nhiều trờng hợp tơng ứng với các quy luật phân bố xác suất

tự tơng quan hay mật độ phổ, phơng sai, nếu quy luật phân bố sai số cha biết Ta sẽ

đánh giá sai số của thiết bị đo theo các đặc trng đã nêu, ở đó ta giả sử rằng, sai sốcủa thiết bị là quá trình ngẫu nhiên không dừng, có thể đợc biểu diễn bằng tổng của

kỳ vọng toán học, là hàm xác định theo thời gian, với quá trình ngẫu nhiên, tậptrung, dừng, egodic

1.3 Mô hình phân tích tính toán sai số

1.3.1 Sai số của thiết bị đo đợc quy về đầu vào và đầu ra

Sai số của thiết bị đo, là đặc trng phản ánh khả năng tiến gần đến chân lý khi

đo giá trị của đại lợng vào, cần phải đợc biểu diễn theo tỷ lệ của đại lợng vào tức cầnphải đợc quy về đầu vào

Nếu ký hiệu xH là giá trị danh định của đại lợng vào đợc xác định theo đặctính biến đổi danh định f H 1 (y)(là đặc tính biến đổi danh định ngợc của fH(x)) khi

biết giá trị của tham số mang thông tin của tín hiệu ra thiết bị đo, thì sai số của thiết

bị đo quy về đầu vào có thể đợc biểu diễn là:

x x f f x

Từ (1.1) ta có: f H 1[f(x)]x

(1.3)Lấy hàm fH cho cả hai vế của phơng trình:

Nếu lấy vi phân đặc tính biến đổi danh định của thiết bị đo theo x, thì khi sai

số của thiết bị đo là đại lợng nhỏ, biểu thức (1.5) có thể viết:

)]

( [ ) ( ) (

x x

h

x f d x

Thiết bị đo thực

Thiết bị đo

lý t ởng

tức sai số ΔB quy về đầu vào của thiết bị đo ở điểm x của dải đo bằng sai số quy về

đầu vào Δ (ở cùng điểm x của dải đo) nhân với giá trị đạo hàm theo x của đặc tínhbiến đổi danh định ở điểm x+Δ(x)/2 của dải đo

Biểu thức (1.6) là đúng với các thiết bị tuyến tính (hàm biến đổi tuyến tính)cũng nh đúng cho thiết bị tạo hàm, còn không đúng cho các bộ biến đổi A/D và cácthiết bị đo số xây dựng dựa trên chúng do đặc tính biến đổi danh định của thiết bị đo

nh thế là đờng bậc thang là hàm không vi phân đợc Quan hệ giữa giá trị sai số quy

về đầu vào và đầu ra đối với các thiết bị đo số là phức tạp hơn đáng kể

Cần nhớ rằng, đặc điểm của lợng tử theo mức đợc biểu hiện trên quan hệ giữasai số quy về đầu vào và đầu ra của thiết bị đo số chừng nào nhỏ hơn hay so sánh đ -

ợc với đơn vị của đoạn mã nhỏ nhất Nếu sai số công cụ vợt đáng kể đơn vị đoạn mãnhỏ nhất thì quan hệ giữa sai số quy về đầu ra và đầu vào có thể xác định theo biểuthức (1.6) khi nhận đặc tính danh định san bằng đợc lấy trung bình theo độ cao củabậc thang để làm hàm fH(x)

1.3.2 Mô hình sai số thiết bị phi tuyến

Sai số của thiết bị đo (tĩnh) là một hàm ngẫu nhiên theo thời gian chứa cácthành phần tơng quan mạnh cũng nh yếu Nó đợc đặc trng bởi phổ tần cùng với quyluật phân bố xác suất đều Nói một cách khác sai số tĩnh của thiết bị đo là đại l ợng

động Vì vậy khi phân tích mối liên hệ giữa sai số thiết bị đo với các tham số của nócần phải xem thiết bị là một hệ thống động

Đại đa số các thiết bị phi tuyến tồn tại trong thực tế có hàm biến đổi tĩnh vớitính phi tuyến không đáng kể Thờng đặc tính biến đổi danh định của thiết bị đo làtuyến tính, còn tính phi tuyến của hàm biến đổi đợc phản ánh bởi thành phần ΔC củasai số thiết bị đo Sai số ΔC nh đã chỉ là hàm xác định của đại lợng vào và không đổitheo thời gian Vì vậy thiết bị đo tơng tự phi tuyến có thể biểu diễn ở dạng thiết bị

đo có hàm biến đổi tĩnh tuyến tính Trên đầu vào của nó tác động tín hiệu là sai số

ΔC quy về đầu vào

ảnh hởng của các nhân tố bên ngoài θ,η lên hàm biến đổi thực đợc tính toánmột cách thuận tiện ở dạng dịch chuyển song song và xoay hàm biến đổi thực tĩnhtheo hàm biến đổi tĩnh ở các điều kiện bình thờng Nói khác đi, sự thay đổi của η,θ

có thể gây ra thay đổi dạng hàm biến đổi tĩnh thực của thiết bị tức thay đổi tính phituyến đợc phản ánh bởi sai số ΔC Tính toán sự thay đổi này là rất phức tạp do phảiphân tích ảnh hởng của tính chất các phần tử của sơ đồ thiết bị đo lên sai số của nó.Hơn nữa, sự thay đổi dạng của hàm biến đổi thực tĩnh dới ảnh hởng của θ, η nh đã

biết là rất không đáng kể so với thành phần sai số còn lại của thiết bị đo Vì vậy thiết

bị đo tơng tự phi tuyến đợc ghi lại bằng các đặc trng sau đây: hệ số biến đổi danh

định KH (đặc tính biến đổi danh định tuyến tính); sai số hệ thống ΔC, không phụthuộc vào các nhân tố η,θ (không đổi theo thời gian), phản ánh tính phi tuyến củahàm biến đổi thực tĩnh và là hàm phi tuyến của đại lợng vào x; thành phần cộng tính

Δa của sai số, không phụ thuộc vào x, phản ánh sự dịch song song của hàm biến đổithực tĩnh so với đặc tính biến đổi danh định dới ảnh hởng của χ,θ,η; thành phần sai

số nhân Δmx tỷ lệ đờng thẳng với x và phản ánh sự xoay hàm biến đổi thực so với

đặc tính biến đổi danh định dới tác động của χ,θ,η, Vậy, có thể viết :

Hình 1.2: Các thành phần sai số của thiết bị đo

Từ phân tích ta thấy rằng, thiết bị đo tơng tự có thể đợc biểu diễn gần đúng ởdạng hệ thống động tuyến tính với hàm truyền Wд(s), trên đầu vào của nó cùng vớiquá trình vào còn có các tín hiệu ΔC và Δa tơng ứng là sai số đợc quy về đầu vào thiết

bị đo (ΔC(x) bị biến đổi bởi hàm truyền Wд(0);

Thiết bị đo số tổng quát có thể biểu diễn ở dạng thiết bị đo tơng tự với sơ đồtơng đơng gồm: thiết bị đo tơng tự; tín hiệu Δц bằng tổng của sai số ΔKB lợng tử hoá

fh(x)f(x)

ΔaB

kHx

ΔmBxΔcB(x)y

x

theo mức và các sai số khác của thiết bị đo số đợc quy về đầu vào; bộ lợng tử hoá tínhiệu đầu ra theo thời gian (hình 1.3).

Hình 1.3: Biểu diễn thiết bị đo số ở dạng tơng tự có tín hiệu tác động lên đầu vào

t-ơng đt-ơng về sai số và bộ lợng tử hoá theo thời gian

Nh vậy, khi phân tích mối liên hệ giữa sai số và các tham số của sơ đồ thiết bị

đo phi tuyến trong trờng hợp chung sẽ là hợp lý nếu ta xem nó là hệ thống độngtuyến tính đợc đặc trng bởi hàm truyền Wд(s), với các tín hiệu tác động lên đầu vào

là ΔC và Δa Đối với thiết bị đo số ta không cần xem xét tín hiệu Δц, do sai số là sai

số phơng pháp, ít phụ thuộc vào sự thay đổi các tham số của các phần tử của sơ đồ(hình 1.4)

Hình 1.4: Biểu diễn thiết bị đo phi tuyến ở dạng hệ thống động tuyến tính có các tín

hiệu tác động lên đầu vào tơng đơng vềi sai số.

Sự sai lệch của hàm truyền Wд(s) so với hệ số danh định KH quyết định sai sốnhân ΔmB của thiết bị đo, còn các tín hiệu Δc(x) và Δa quyết định đến sai số ΔC.B(x)

và ΔaB đợc quy về đầu vào xem biểu thức (1.7)

1.4 Các phơng pháp bảo đảm độ chính xác của các thiết bị đo

1.4.1 Khái quát chung

Sai số tĩnh của thiết bị đo trong điều kiện thực là hàm của đại lợng đầu vào và

là hiệu của hàm biến đổi thực tĩnh với đặc tính biến đổi danh định ở thời điểm đo

Để bảo đảm độ chính xác cao của thiết bị đo cần cực tiểu hoá hiệu số này Ngoài racòn có các cách khác để giảm sai số đo lờng là: phơng pháp xử lý trung bình các tín

W

д(s))x(s))+ΔΔc(x)+ΔΔa(s)) y(s))+ΔKHx(s))+ΔΔb(s))

hiệu ra với mục đích loại bỏ sai số ngẫu nhiên tơng quan yếu, các phơng pháp loạitrừ sai số không đổi và tơng quan mạnh (thay đổi chậm) bằng cách tạo ra các điềukiện đo thích hợp (xoay thiết bị đo đi 1800, lấy giá trị trung bình hai tín hiệu ra đểloại trừ ảnh hởng của từ trờng bên ngoài; thay đổi cực tính mắc vôn mét với nguồnsuất điện động một chiều đợc đo, lấy giá trị trung bình 2 tín hiệu ra để loại bỏ ảnh h-ởng của hiệu điện thế tiếp xúc của vôn mét v.v… )

Trong các trờng hợp áp dụng điều chỉnh tự động giá trị tín hiệu ra, ta xemviệc điều chỉnh là quá trình thay đổi hàm biến đổi thực tĩnh Có hai dạng tác độnglên hàm thực này là tác động lên các tham số của các phần tử của sơ đồ, cấu trúc củathiết bị đo và tác động lên tín hiệu đầu ra của thiết bị đo

Việc bảo đảm sai lệch giữa hàm biến đổi thực tĩnh và đặc tính biến đổi danh

định của thiết bị đo nhỏ khi sử dụng ở các điều kiện khác nhau có thể theo hai cách.Cách thứ nhất là bảo đảm hàm biến đổi thực tĩnh của thiết bị đo không thay đổi theothời gian, không phụ thuộc vào sự thay đổi của các nhân tố , và tiến tới đặc tínhdanh định Nhóm phơng pháp này gọi là phơng pháp ổn định hàm biến đổi thực tĩnhcủa thiết bị đo Cách thứ hai là trong quá trình vận hành thiết bị ta đánh giá sai kháccủa hàm biến đổi thực tĩnh so với đặc tính biến đổi danh định và thay đổi hàm biến

đổi tĩnh thực sao cho hàm này tiến gần tới đặc tính biến đổi danh định; các phơngpháp thuộc nhóm này đợc gọi là phơng pháp hiệu chỉnh tự động sai số của thiết bị

đo

Việc ổn định hàm biến đổi thực tĩnh đợc đảm bảo bởi cả giải pháp công nghệ,cấu tạo (sản xuất thiết bị từ các phần tử chính xác, ổn định, tạp âm ít; sử dụng cácvật liệu ổn định; ổn định nhiệt độ; ổn định của nguồn nuôi; công nghệ chính xácv.v…) cũng nh phơng pháp cấu trúc

Mặc dù giải pháp công nghệ, cấu tạo ổn định hàm biến đổi thực tĩnh của thiết

bị đo thuộc nhóm phơng pháp kinh điển, đợc nghiên cứu và sử dụng rộng rãi, songvới những đòi hỏi hiện thời về độ chính xác của thiết bị đo là rất cao, thì việc sửdụng phơng pháp này cũng không bảo đảm đợc độ chính xác cao theo yêu cầu

Phơng pháp cấu trúc ổn định hàm biến đổi thực tĩnh và phơng pháp hiệuchỉnh tự động sai số của thiết bị đo đợc sử dụng rộng rãi trong các thiết bị và hệthống đo hiện đại Các phơng pháp cấu trúc tăng độ chính xác của thiết bị đo có thểchia ra làm hai nhóm Nhóm phơng pháp ổn định hàm biến đổi thực tĩnh của thiết bị

đo và nhóm phơng pháp tự động hiệu chỉnh sai số thiết bị đo Trong nhóm đầu cóhai phơng pháp cơ bản là phơng pháp phản hồi và phơng pháp các thành phần tham

số Trong nhóm thứ hai có các phơng pháp đo phụ, phơng pháp tín hiệu mẫu và

ph-ơng pháp biến đổi ngợc

1.4.2 Phơng pháp ổn định hàm biến đổi thực tĩnh của thiết bị đo

y=F(x)

k

kx a

k

x k x f y

ở đây kH là giá trị danh định của hệ số biến đổi sai lệch

Từ đây sai số đợc quy về đầu vào thiết bị đo :

x k

kx a k

k x

y k

k

H

H H

(1.10)Khi biểu diễn kk H  k và giả sử k nhỏ thì :

x k k k k

k k

a

H

H H

Khi k H  1 thì:

x k

k k k

k k

a

H H H

Khi không có phản hồi âm sai số tơng tự đợc biểu diễn:

x k k

a

H

K H

định của tín hiệu đầu ra ngời ta tăng giá trị danh định của đại lợng vào

Hệ số biến đổi sai lệch kkhi tồn tại phản hồi âm có thể đợc ghi lại ở dạng:

số hạng  dẫn tới k giảm phụ thuộc vào k tức sự ổn định của k không phụ thuộcvào nguyên nhân gây ra thay đổi hệ số k Từ công thức (1.14) thấy rằng, nếu k thay

đổi theo dải biến đổi (tức phụ thuộc vào ), nghĩa là nếu hàm biến đổi thực của kênhtruyền thẳng không tuyến tính, thì có phản hồi âm sẽ làm giảm tính phi tuyến, tứclàm giảm sai số c

Các biểu thức đa ra cho sai số của thiết bị đo có phản hồi âm nhận đợc vớigiả thiết rằng, sự thay đổi của các tham số phần tử và tạp âm cộng tính gây ra sai sốnày chỉ ở trong kênh truyền thẳng, sự thay đổi các tham số của các phần tử và tạp

âm trong phần phản hồi là không đợc đặt ra

Nh vậy phản hồi âm làm giảm sự thay đổi của hệ số biến đổi sai lệch (tức sai

số nhân) của kênh truyền thẳng và là phơng tiện tổng hợp làm giảm sai số do tất cảcác nguyên nhân có thể c, ,

Hạn chế cơ bản của giảm sai số nhân bằng phơng pháp phản hồi âm gắn liềnvới tính ổn định và độ chính xác của các tham số của mạch phản hồi  Cụ thể, sựthay đổi tham số của các phần tử và tạp âm kênh truyền thẳng bị hạn chế bởi dảithông của mạch phản hồi Mở rộng dải thông có thể dẫn tới giảm độ ổn định của hệthống, thậm chí dẫn tới sự phức tạp và tăng số lợng các nguồn gây sai số mà phảnhồi âm không thể nén đợc

Do những đặc điểm đã đánh giá, việc áp dụng phản hồi âm không thể đảmbảo độ chính xác của thiết bị theo yêu cầu cao Hầu nh trong thiết bị đo chính xác

đều sử dụng phản hồi tuy nhiên thờng cha đủ

1.4.2.b Các phơng pháp các thành phần tham số

Phơng pháp các thành phần tham số dùng để giảm sai số ngẫu nhiên nội bộ

x

 bị quy định bởi sự thay đổi ngẫu nhiên của các tham số và tạp âm riêng Vì vậy

ta sẽ xem xlà hàm ngẫu nhiên dừng tập trung theo thời gian

Trong phơng pháp này một vài phần tử phụ đợc mắc vào sơ đồ của thiết bị

đo Các phần tử phụ gây ra thành phần ngẫu nhiên dừng tập trung xcủa sai số màtơng quan với x Thành phần ngẫu nhiên còn lại của sai số:



x    

Có thể đánh giá x nếu biết mật độ phân bố xác suất đều f 1( x) của thànhphần x và mật độ xác suất có điều kiện của x Từ đây mật độ xác suất tổngcộng của các thành phần x và xk có thể xác định theo công thức:

) / ( ) ( ) ,

Sai số ngẫu nhiên riêng xcó phơng sai D [ x] Để bù sai số này cần chọn

các phần tử phụ có tạp âm x k gây ra thành phần sai số xk , có quy luật phân bốtiến gần đến quy luật phân bố của x từ D [ x]

Quan hệ giữa xvà x đợc đặc trng bởi hệ số tơng quan r k , để bù tốt hơn,

hệ số này cần tiến tới 1 Do vậy, phơng sai của sai số  0:

] [ ] [ 2 ] [ ] [ ]

Từ công thức này hiển nhiên là ở các điều kiện xác định, có thể bảo đảm thựchiện bất đẳng thức D[ x0 ] D[ x] tức là giảm sai số thiết bị đo Nếu phần tử cơbản và phần tử bù là giống nhau, điều đó có thể không thay đổi quan hệ giữa x và

k

x , tức là không thay đổi r k nhng có thể thay đổi phơng sai D [ xk], dẫn tới việcxác định D [ xk] mà ở đó D [ x0)cực tiểu thực hiện nh sau:

] [ ]

x k opt

] 1 ][

[ ]

Nếu giữa x và xk có mối liên hệ không ngẫu nhiên (r k  1) thì

2

0 ] ( [ ] [ )

Do vậy có thể xem bù sai số hệ thống bằng phơng pháp các thành phần tham

số là trờng hợp riêng của bù sai số ngẫu nhiên dựa trên các phụ thuộc tựa tĩnh

Ví dụ thành phần i (x) của sai số x, liên hệ với sự thay đổi của nhân tố

ảnh hởng i theo công thức:

i x a a x

Để bù sai số hệ thống i (x) có thể mắc vào sơ đồ thiết bị đo phần tử phụ,

có các tham số phụ thuộc vào sự thay đổi của nhân tố i gây ra thành phần sai sốphụ k i (x), và sai số còn lại là:

) ( )

( ) (

0i x  i x  ki x

Cần chọn phần tử phụ gây ra thành phần sai số có dạng (1.22)

i x b b x

[ ]

2 2 1 1

Tức là khi đồng nhất hoàn toàn các hàm không ngẫu nhiên i (x)và k i (x) bằng

0 (khi đó kỳ vọng toán học của sai số bù còn lại bằng 0)

Tóm lại phơng pháp các thành phần tham số dùng để giảm sai số gây ra bởicác nhân tố loại  ,  Tuy nhiên phơng pháp này khác với phơng pháp phản hồi âm

ở chỗ, để giảm ảnh hởng của mỗi một nhân tố trong  ,  cần phải đa vào sơ đồ cácphần tử phụ riêng rẽ; giảm ảnh hởng của mỗi nhân tố này đợc thực hiện riêng rẽ.Hạn chế cơ bản của phơng pháp là không thể bảo đảm trên thực tế sự thay đổi giốngnhau của tham số các phần tử phụ và cơ bản, ảnh hởng lên sai số thiết bị đo cả trongdải thay đổi của các nhân tố ảnh hởng lẫn trong dải thay đổi của đại lợng đo

Phơng pháp các thành phần tham số thờng đợc áp dụng để giảm các sai sốthay đổi chậm (nhiệt độ, tần số, trôi 0) Vì vậy vấn đề đồng nhất đặc tính tần số củacác phần tử cơ bản và phần tử phụ thực tế là không đặt ra Tuy nhiên nếu các phơngpháp này áp dụng để bù sai số nhiệt độ của thiết bị đo trong điều kiện nhiệt độ môitrờng xung quanh thay đổi mạnh, thì vấn đề này trở nên phức tạp

1.4.3 Hiệu chỉnh tự động sai số của thiết bị đo

Điểm khác biệt cơ bản của phơng pháp tự động hiệu chỉnh sai số của thiết bị

đo là bảo đảm hàm biến đổi thực tĩnh tiến đến đặc tính biến đổi danh bằng cách thay

đổi hàm biến đổi thực dới tác động của tín hiệu hiệu chỉnh, tín hiệu này là hiệu giữahàm biến đổi thực tĩnh và đặc tính biến đổi danh định, tức sai số của thiết bị đo Dovậy một trong các thao tác cơ bản của quá trình tự động hiệu chỉnh sai số thiết bị đo

là đánh giá sai số này và xử lý tín hiệu hiệu chỉnh

Việc đánh giá sai số thiết bị đo có thể thực hiện bằng tính toán hay thựcnghiệm Đánh giá bằng thực nghiệm là phổ biến hơn do nó cho sai số tổng cộngkhông phụ thuộc vào tính chất của thiết bị đo.

Xác định sai số bằng tính toán thì hạn chế hơn Trong quá trình vận hành củathiết bị đo, thực tế chỉ có thể xác định bằng cách tính toán chỉ một vài thành phầncủa sai số tổng cộng khi sự phụ thuộc của chúng vào các nhân tố ảnh hởng đến tínhchất đo lờng của thiết bị đo là đã biết Nhng trong quá trình vận hành thiết bị đo cácnhân tố này có thể thay đổi, nên cần đánh giá liên tục thờng xuyên có hệ thống

Sai số của thiết bị đo có thể xác định bằng thực nghiệm cả ở đầu vào và đầu

ra của thiết bị đo Tín hiệu hiệu chỉnh zK đợc xử lý theo ba cách sau:

1, Đo các nhân tố ảnh hởng 1,2,3,… Và tính toán sai số theo quan hệ phụthuộc : =F(x).(1,2,…n);

2, Đo sai số thiết bị đo đợc quy về đầu ra B

3, Đo sai số thiết bị đo đợc quy về đầu vào 

Phơng pháp thứ nhất đợc chỉ trên hình 1.5 Các nhân tố 1, 2 ,… n gây ra,

sai số thiết bị đợc đo bằng thiết bị đo phụ, thiết bị 1, thiết bị 2,…Tín hiệu ra của nó

đợc đa đến thiết bị tính toán để thực hiện phân tích hàm của sai số thiết bị và các

nhân tố  Thiết bị tính toán tạo ra tín hiệu hiệu chỉnh zK()

Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc của phơng pháp đo phụ

Phơng pháp thứ hai đợc nêu ở hình 1.6 Sai số của thiết bị đo quy về đầu ra làhiệu số giữa các giá trị thực y và danh định yp của tín hiệu ra thiết bị đo (ứng với giátrị xp đã biết của tín hiệu mẫu) Giá trị danh định của y đợc xử lý bởi bộ biến đổithẳng mẫu Hiệu số giữa y-yp bằng sai số quy về đầu ra B(xP) và đợc tách ra bởi sơ

đồ tính toán và là tín hiệu hiệu chỉnh zK(B)

Hình 1.6: Sơ đồ cấu trúc của phơng pháp tín hiệu mẫu

Phơng pháp thứ 3 đợc nêu ở hình 1.7 Sai số quy về đầu vào là hiệu số giữagiá trị danh định đầu vào và thực tế Giá trị xH ở đầu ra của bộ biến đổi mẫu đợcbiến đổi ngợc x H f H 1 (y)

 ở đây f H 1 (y)là hàm ngợc của đặc tính biến đổi danh

định của thiết bị đo Hiệu số xH -x đợc tách bằng sơ đồ tính toán và là tín hiệu hiệuchỉnh zk(Δ)

Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc của phơng pháp biến đổi ngợc

Ba phơng pháp đã chỉ ở trên về tạo ra tín hiệu hiệu chỉnh tơng ứng với 3

ph-ơng pháp hiệu chỉnh sai số Phph-ơng pháp đầu tiên tph-ơng ứng với nguyên tắc điều chỉnh

tự động theo nhiễu, còn phơng pháp thứ hai và thứ ba là ứng với nguyên tắc tự động

điều chỉnh theo sai lệch Phơng pháp đầu tiên thờng đợc gọi là phơng pháp đo phụ,phơng pháp thứ hai gọi là phơng pháp tín hiệu mẫu, phơng pháp thứ 3 là phơng phápbiến đổi ngợc

1.4.3.a Phơng pháp đo phụ

Sơ đồ tính toán

Thiết bị đo

Thiết bị biến đổn thẳng mẫu

Phơng pháp này dựa trên cở sở tính toán các thành phần sai số do ảnh hởngcủa các nhân tố  tác động lên hàm biến đổi thực của thiết bị đo, hiệu số giữa giá trịthực và danh định của nhân tố i xác định là tín hiệu điều khiển quá trình hiệuchỉnh Tín hiệu này đợc xác định trong quá trình làm việc của thiết bị đo bằng cách

đo mỗi tham số i và tính toán giá trị danh định của nó từ kết quả đo tơng ứng.Thay đổi hàm biến đổi thực tĩnh theo hiệu số này để loại bỏ sai số

Sự thay đổi hàm biến đổi thực tĩnh còn dùng để điều khiển các tham số củasơ đồ thiết bị đo (khi tự hiệu chuẩn) hay cùng với giá trị của đại l ợng vào để tínhtoán điều chỉnh giá trị của tín hiệu đầu ra (khi tự động điều chỉnh)

Phơng pháp đo phụ có một số đặc điểm đặc biệt nh sau:

1.Chỉ hiệu chỉnh sai số do sai lệch của tham số  so với giá trị danh định 2.Để đo mỗi tham số i cần phải có các thiết bị đo phụ riêng rẽ

3.Cần biết hàm () về quan hệ phụ thuộc của sai số thiết bị đo vào tác độngchung của tất cả các tham số  Cần phải có thiết bị tính toán để tính giá trị của hàm

() theo các kết quả đo các nhân tố i Khi tự hiệu chuẩn, hàm () điều khiểnthay đổi các tham số phần tử của sơ đồ thiết bị đo Khi áp dụng điều chỉnh sử dụng

thiết bị tính toán, ngoài việc đa vào giá trị i, thậm chí cả giá trị của đại lợng đầu

vào x, vẫn cần xem việc hiệu chỉnh là hàm của x

4.Việc đo và hiệu chỉnh đợc thực hiện đồng thời liên tục theo các kênh khácnhau; dải tần làm việc của thiết bị đo đợc hiệu chỉnh không phụ thuộc vào đặc tínhcủa hệ thống điều chỉnh

5.Chất lợng làm việc của hệ thống hiệu chỉnh phụ thuộc vào phổ tần số củanhân tố  phù hợp với đặc tính động của thiết bị đo phụ và thiết bị tính toán

1.4.3.b Phơng pháp các tín hiệu mẫu

Trong phơng pháp này, sai số thiết bị đo quy về đầu ra, tức là hiệu số giá trịcủa hàm biến đổi thực tĩnh và đặc tính biến đổi danh định, là tín hiệu điều khiển quátrình hiệu chỉnh Hiệu số này đợc xác định bằng cách so sánh giá trị thực của tínhiệu đầu ra nhận đợc khi truyền đến đầu vào giá trị của đại lợng mẫu đã biết (tínhiệu mẫu) với giá trị danh định của tín hiệu đầu ra đợc xác định theo đặc tính biến

đổi danh định của thiết bị đo với cùng giá trị của đại lợng đầu vào

Khi hiệu chỉnh sai số của thiết bị đo tơng tự, tín hiệu đầu ra là một đại lợngvật lý nào đó (tín hiệu điện là dòng, điện áp ; tín hiệu nén là áp lực ; tín hiệu cơ khí

là lực, sự dịch chuyển…), giá trị danh định của nó ứng với giá trị của tín hiệu mẫunhận đợc nhờ bộ biến đổi có hàm biến đổi thực tĩnh trùng với đặc tính biến đổi danh

định của thiết bị đo có hiệu chỉnh, hay nhờ bộ hiệu chuẩn làm giá trị của đại lợngvật lý phù hợp với giá trị của tín hiệu mẫu

Việc tạo ra bộ biến đổi và bộ hiệu chuẩn chính xác là rất khó khăn Thực tếphơng pháp này dùng cho thiết bị đo tơng tự để hiệu chỉnh chỉ sai số trôi 0 (sai sốcộng), khi giá trị danh định của tín hiệu đầu ra bằng 0

Khi hiệu chỉnh sai số của thiết bị đo số, tín hiệu ra là ở dạng mã, việc nhận

đ-ợc giá trị danh định của tín hiệu là dễ dàng cho nên không đòi hỏi khắt khe đối vớicác bộ biến đổi , các bộ hiệu chuẩn v.v Vì vậy phơng pháp hiệu chỉnh này đợc sửdụng rộng rãi trong việc nâng cao độ chính xác của thiết bị đo số

Nh vậy, khi hiệu chỉnh bằng phơng pháp, tín hiệu mẫu đợc đa đến đầu vàocủa thiết bị đo, cần ngắt chế độ làm việc- chế độ đo Giá trị sai số quy về đầu ra củathiết bị đo đợc sử dụng trong hệ thống tự hiệu chuẩn hay trong hệ thống áp dụng

điều chỉnh

Phơng pháp các tín hiệu mẫu có đặc điểm cơ bản sau đây:

1 Trong thành phần hệ thống hiệu chỉnh có bộ biến đổi thẳng mẫu, độ chínhxác của việc hiệu chỉnh phụ thuộc vào độ chính xác của bộ biến đổi này

2 Tín hiệu hiệu chỉnh ứng với sai số tổng cộng của thiết bị đo ở các điều kiệngiống nh khi ta đa tín hiệu mẫu tới đầu vào thiết bị đo Trong sai số này nóichung có các thành phần c, ,, còn tín hiệu hiệu chỉnh chỉ tính toán thànhphần có dạng  vốn có trong tín hiệu mẫu Do loại trừ đợc các thành phầngây ra từ các nhân tố  vốn có trong tín hiệu vào nên sai số đợc hiệu chỉnhtheo phơng pháp này sẽ không có trong tín hiệu mẫu đến đầu vào của thiết bị

đo trong chế độ hiệu chỉnh Vì vậy các phần tử của sơ đồ thiết bị đo có thểkhông đòi hỏi độ chính xác và ổn định cao nếu việc hiệu chỉnh đợc thực hiệnthờng xuyên

3 Trong thiết bị đo có hệ thống hiệu chỉnh, có thể hiểu cả bộ biến đổi thẳngmẫu(nếu cần), thì chỉ một phần tử chính xác đó là nguồn tín hiệu mẫu, các tínhiệu này cần phải cùng loại với đại lợng vào

4 Về nguyên tắc sai số đợc hiệu chỉnh chỉ ở độ chính xác cụ thể của dải đo ứngvới các giá trị tín hiệu mẫu đa đến thiết bị đo trong quá trình hiệu chỉnh

5 Việc hiệu chỉnh thực hiện không liên tục nhng có chu kỳ

6 Chế độ đo tức chế độ làm việc của thiết bị đo bị ngắt một cách có hệ thống đểthực hiện hiệu chỉnh, khi đó đại lợng đo từ đầu vào sẽ bị ngắt còn tín hiệumẫu đợc mắc vào

Sự phụ thuộc dải tần làm việc thực của thiết bị đo vào đặc tính của hệ thốnghiệu chỉnh, cụ thể vào tần số mắc hệ thống hiệu chỉnh, quy định tính gián đoạn củachế độ đo Phơng pháp này dùng trong các hệ thống hiệu chỉnh trôi 0 bộ khuếch đạidòng một chiều và sai số của bộ biến đổi tơng tự số

1.4.3.c Phơng pháp biến đổi ngợc

Trong phơng pháp, sai số thiết bị đo quy về đầu vào, tức hiệu số giữa giá trịdanh định (xác định theo đặc tính biến đổi danh định khi biết giá trị tín hiệu ra) vàgiá trị thực của đại lợng vào, là tín hiệu điều khiển quá trình hiệu chỉnh Do đó khithực hiện phơng pháp cần tái tạo giá trị danh định của đại lợng đo Tái tạo là nhiệm

vụ của bộ biến đổi ngợc, hàm biến đổi thực của nó cần phải trùng với đặc tính biến

đổi danh định ngợc của thiết bị đo Tín hiệu thực của thiết bị đo đa đến đầu vào bộbiến đổi ngợc, đầu ra của nó nhận đợc giá trị danh định của tín hiệu vào Hiệu sốnhận đợc là sai số của thiết bị đo quy về đầu vào và dùng để xử lý tín hiệu cả trong

hệ thống tự hiệu chuẩn cũng nh trong hệ thống áp dụng hiệu chỉnh

Việc áp dụng phơng pháp trong hệ thống tự hiệu chuẩn đợc mô tả trên ví dụ

về bộ khuếch đại đo lờng tuyến tính gồm 2 tầng tuyến tính 1 và 2 mắc nối tiếp nhauvới các hệ số khuếch đại là K1 và K2 (hình 1.8)

Hình 1.8: Sơ đồ khối của phơng pháp biến đổi ngợc (khi hiệu chuẩn)

Đặc tính biến đổi danh định của bộ khuyếch đại có dạng:

YH=F(x).fH(x)=F(x).KHx (1.25)

ở đây KH=F(x).K1HK2H; K1H, K2H là giá trị danh định của K1 và K2

Vậy sai số tuyệt đối quy về đầu vào của bộ khuếch đại có hiệu chỉnh là:

1

1

2 1 1

4

11

K K

Kx K

a a K K

a

k k

21

ở đây a1, a2, a3 là tạp âm cộng quy về đầu vào của các kênh tơng ứng;

H

H

K

K K

K



 sai số tơng đối của hệ số khuếch đại; KK là hệ số khuếch đại của

bộ khuếch đại tín hiệu hiệu chỉnh

Từ công thức (1.26), để giảm đáng kể sai số quy định bởi tính chất của bộkhuếch đại hiệu chỉnh cần phải chọn KK>>K1 Vậy có thể viết xấp xỉ là:

) (

1

2 1 2

1

K

a a K

K a

K     

Từ đây có thể thấy rằng độ chính xác và độ ổn định của KK có thể không đòi hỏingặt nghèo, tuy nhiên sai số cộng của bộ khuếch đại tín hiệu hiệu chỉnh quy về đầuvào cần phải rất nhỏ

Hình 1.9: Sơ đồ khối của phơng pháp biến đổi ngợc (khi điều chỉnh tự động)

Phơng pháp biến đổi ngợc ứng dụng trong các hệ thống điều chỉnh tự động.Sơ đồ khối minh hoạ làm việc của một hệ thống nh vậy chỉ trên hình 1.9 Các hệ sốbiến đổi danh định của bộ biến đổi tuyến tính 1 và 2 phải giống nhau K1H=F(x).K2H=F(x).KH.Sai số của bộ biến đổi 1 đợc hiệu chỉnh

Ký hiệu K1, K2là sai số tơng đối của các hệ số biến đổi của bộ biến đổi 1

và 2 so với giá trị danh định KH ta dễ dàng nhận đợc:

2 1 2

ở đây a1,a2 là tạp âm cộng đợc quy về đầu vào của bộ biến đổi 1 và 2 Do các tạp âm

a1, a2 và các sai lệch K1 và K2 là ngẫu nhiên nên dấu của chúng trong biểu thức(1.28) là không đợc tính

31

2

a2

a1x

zk=Δ

- +Δ

Từ công thức (1.27) và (1.28) thấy rằng, sự ảnh hởng của tạp âm cộng trongcả hai trờng hợp lên sai số K thực tế là nh nhau Do hệ số biến đổi K2 cần phải tiếntới giá trị danh định của hệ số biến đổi K1H, nên hệ số này đợc đồng nhất với bộ biến

đổi 1 Tuy nhiên điều này hợp lý chỉ trong trờng hợp tạp âm cộng a1 của bộ biến đổi

1 nhỏ Từ biểu thức (1.28) thấy rằng tạp âm của bộ biến đổi trực tiếp đi vào sai số,còn tạp âm của bộ biến đổi 1 bị giảm Do đó nếu tạp âm cộng có giá trị thì chọn bộbiến đổi hoàn toàn đồng nhất là không hợp lý

Từ (1.27) thấy rằng để giảm sai số K có thể cho hệ số biến đổi KK của bộkhuếch đại hiệu chỉnh lớn hơn hệ số biến đổi K1 của bộ biến đổi đợc hiệu chỉnh

Từ công thức (1.28), để giảm sai số K chỉ cần cực tiểu hoá sai lệch hệ sốbiến đổi K2 của bộ biến đổi hiệu chỉnh với giá trị danh định của nó bằng giá trị danh

định của hệ số biến đổi K1H của bộ biến đổi đợc hiệu chỉnh

Hệ thống tự hiệu chuẩn và tự động điều chỉnh sử dụng phơng pháp biến đổingợc có một đặc trng khác nhau Trong hệ thống tự hiệu chuẩn tín hiệu đầu ra đợchiệu chuẩn yk bị biến đổi ngợc, còn trong hệ thống tự động điều chỉnh, tín hiệu đầu

ra không đợc hiệu chỉnh y bị biến đổi ngợc

Từ hình 1.8 và 1.9 thấy rằng, khi thực hiện hệ thống tự hiệu chuẩn xuất hiệnvấn đề bảo đảm ổn định do có vòng kín Khi thực hiện hệ thống tự động điều chỉnhvấn đề nh vậy không tồn tại do không có vòng kín, tín hiệu đầu ra y của thiết bị đokhông hiệu chỉnh đợc cộng với một lợng hiệu chỉnh

Phơng pháp biến đổi ngợc có các đặc điểm sau:

1 Trong thành phần hệ thống hiệu chỉnh có bộ biến đổi ngợc, độ chính xác hiệuchỉnh phụ thuộc vào độ chính xác của bộ biến đổi ngợc

2 Tín hiệu hiệu chỉnh tơng ứng với sai số tổng cộng của thiết bộ đo ở điểm củadải đo ứng với giá trị của đại lợng vào tức các sai số đi qua bất kỳ c,,, đ-

ợc hiệu chỉnh

3 Việc hiệu chỉnh đợc thực hiện liên tục trong quá trình quá trình đo

4 Mặc dù liên tục hiệu chỉnh trong quá trình làm việc song dải tần làm việc củathiết bị đo phụ thuộc vào tính chất của hệ thống hiệu chỉnh, cụ thể vào đặctính động của bộ biến đổi ngợc

Đặc điểm cơ bản của phơng pháp này là cần bộ biến đổi ngợc mẫu có độchính xác cao trong dải tần ứng với phổ tần số tín hiệu vào thiết bị đo và trong dảitần làm việc của các nhân tố , bảo đảm điều này rất khó khăn

Phơng pháp biến đổi ngợc áp dụng phản hồi âm có rất nhiều u điểm Trong cảhai phơng pháp dùng biến đổi ngợc, sai số của bộ biến đổi ảnh hởng trực tiếp đến sai

số thiết bị đo hiệu chỉnh; hiệu số giữa đại lợng vào thiết bị đo và tín hiệu đầu ra của

bộ biến đổi ngợc đợc tách ra Sự khác nhau là ở chỗ, bộ biến đổi trong mạch phảnhồi chia tín hiệu đầu ra theo hệ số xác định, thờng nhỏ hơn hệ số bộ biến đổi thẳngcủa thiết bị đo (đối với thiết bị đo tuyến tính); ở biến đổi ngợc, tín hiệu ra từ bộ biến

đổi ngợc nhất thiết tỷ lệ với đại lợng đầu vào Khi dùng phản hồi âm, hiệu số giữa

đại lợng vào thiết bị đo và tín hiệu ra bộ biến đổi ngợc trực tiếp bị thiết bị đo biến

đổi sao cho tín hiệu ra là hàm của hiệu số này Trong phơng pháp biến đổi ngợc,hiệu số giữa đại lợng vào thiết bị đo và tín hiệu ra bộ biến đổi ngợc dùng để thay đổicác tham số của sơ đồ thiết bị đo (khi tự hiệu chuẩn) hay để xử lý hiệu chỉnh, chỉ đạilợng vào chịu sự biến đổi của thiết bị đo

1.5 ứng dụng xử lý tín hiệu số trong kỹ thuật đo lờng

1.5.1 Khái niệm

Xử lý tín hiệu số là xử lý tín hiệu bằng các phơng pháp số Chất lợng của các

bộ xử lý số đang có những bớc tiến nhảy vọt do sự phát triển của công nghệ chế tạo

vi mạch và có sự tham gia của các công nghệ mới nh FPGA, DSP v.v… trong khikích thớc và giá thành của nó ngày càng giảm Xử lý tín hiệu số đã đợc ứng dụngtrong rất nhiều lĩnh vực nh truyền tin, đo lờng, điều khiển tự động, xử lý âm thanh,hình ảnh v.v…

Các bộ xử lý số ngày càng đợc sử dụng rộng rãi trong các thiết bị đo lờng Sựkết hợp của cả phần cứng và phần mềm trong xử lý tín hiệu số làm cho tốc độ xử lý

và độ chính xác, tính linh hoạt của các thiết bị đo lờng số đợc nâng cao Với sự hỗtrợ của các thuật toán thông minh, bộ xử lý tín hiệu có thể tách tín hiệu hữu ích từnhiễu, đồng thời có thể khôi phục lại tín hiệu bị méo hay dữ liệu không còn nguyênvẹn Các thiết bị đo lờng số ứng dụng xử lý tín hiệu số đạt đợc độ chính xác cao hơncác thiết bị đo tơng tự với kích thớc gọn nhẹ hơn, giá thành thấp hơn

1.5.2 Các thuật toán xử lý tín hiệu số

Các thuật toán xử lý tín hiệu số rất phong phú và đa dạng có thể đợc phânthành hai nhóm:

- Các phơng pháp xử lý thống kê

- Các phơng pháp lọc tín hiệu trên nền nhiễu và tạp âm

1.5.2.a Phơng pháp xử lý thống kê

Trong kỹ thuật đo lờng để nâng cao độ chính xác kết quả phép đo ngời ta ờng sử dụng phơng pháp xử lý kết quả đầu ra của thiết bị đo bằng tính trung bìnhcác kết quả đo nhằm loại bỏ các sai số ngẫu nhiên tơng quan yếu

th-Cơ sở toán học của phơng pháp này dựa trên tính ngẫu nhiên và quy luật phân

bố xác suất của kết quả đo Do giá trị thực của đại lợng đo là không biết trớc đợcnên ngời ta thờng lấy giá trị trung bình cộng của nhiều lần đo thay cho giá trị thực

và kết quả của phép đo sẽ đợc viết dới dạng khoảng tin cậy và xác suất tin cậy Khi

số lần đo lớn hơn 10 thì ngời ta thờng sử dụng phân bố xác suất của sai số là phân

bố Gauss, còn khi số lần đo nhỏ hơn 10 thì sử dụng phân bố Student

Giả sử đo lặp một đại lợng trong cùng một điều kiện ta có đợc kết quả đo làX1,X2,… Xn khi đó xử lý kết quả đo theo các bớc sau đây:

Bớc 1: Tính giá trị trung bình

n

X X

X

 1 2

Bớc 2: Tính sai số của lần đo thứ i: i X i  X

Bớc 3: Kiểm tra xem 

n

i i



và sai số trung bình bình phơng của kết quả đo

bố Student) t và ts tìm đợc qua tra bảng đợc trình bày trong [1]

Kiểm tra xem có sai số thô hay không, nếu có sai số thô thì loại bỏ kết quả đoứng với sai số thô và tính lại từ đầu

Bớc 4: Viết kết quả đo ở dạng

X

X X X tS tS

hay: X  t s S X X X t s S X (Khi sử dụng phân bố Student

1.5.2.b Phơng pháp lọc tín hiệu trên nền nhiễu và tạp âm

Các bộ lọc thực hiện chọn lọc tần số loại bỏ phần lớn nhiễu và tạp âm nhờ đó

có thể nâng cao độ chính xác của thiết bị đo Các thiết bị đo lờng số có thể sử dụngcác bộ lọc thích nghi và bộ lọc không thích nghi

Bộ lọc thích nghi là bộ lọc số có thể thay đổi hệ số của bộ lọc, thích nghi với

tín hiệu đầu vào Bộ lọc không thích nghi có các hệ số lọc không thay đổi (có thểbiểu diễn ở dạng tổng quát là hàm truyền) sẽ đợc trình bày trong chơng 3

Đối với nhiều ứng dụng, một vài tham số của hoạt động xử lý là không đợcbiết trớc Trong những trờng hợp nh vậy thờng thực hiện lọc thích nghi theo nguyêntắc phản hồi để xác định các giá trị của hệ số bộ lọc, và vì vậy có thể thay đổi đápứng tần số bộ lọc theo tần số tín hiệu vào Nói chung, xử lý thích nghi thờng sử dụnghàm tổn thất để thực hiện thuật toán, hàm tổn thất là tiêu chí cho chất l ợng tối u của

bộ lọc (ví dụ cực tiểu hoá tạp âm của thành phần vào), thuật toán sẽ xác định làm thếnào để điều chỉnh các hệ số lọc sao cho cực tiểu hoá tổn thất trên lần lặp kế tiếp

Khả năng của các bộ xử lý số là ngày càng tăng, các bộ lọc thích nghi ngàycàng phổ biến trong thực tế Sơ đồ khối của bộ lọc thích nghi nh sau:

Hình 1.10: Sơ đồ khối bộ lọc thích nghi.

Các thuật toán thích nghi gồm:

+Thuật toán trung bình bình phơng tối thiểu LMS

+Thuật toán bình phơng hồi quy tối thiểu RLS

Thuật toán LMS dùng trong lọc thích nghi để tìm hệ số lọc sao cho trung

bình bình phơng của tín hiệu sai số là nhỏ nhất ý tởng căn bản của phơng pháp này

là sử dụng phơng pháp Steepest Descent để tìm véc tơ hệ số wn sao cho hàm tổn thấtcực tiểu Ta định nghĩa hàm tổn thất nh sau:

) ( )

(n E e n

Bộ lọc có thể biến đổi

w

n

Thuật toán cập nhật

ở đây e(n) đợc định nghĩa trong biểu đồ khối của bộ lọc thích nghi tổng quát E(.) là

giá trị kỳ vọng áp dụng phơng pháp Steepest Descent, nghĩa là thực hiện đạo hàm

theo đầu vào riêng rẽ của véc tơ hệ số của bộ lọc:

Bây giờ C(n) là véc tơ mà chỉ trực tiếp tới Steepest Descent của hàm tổn thất Để

tìm giá trị cực tiểu của hàm tổn thất ta cần thực hiện từng bớc theo hớng chỉ của

C(n) Biểu diễn điều đó ở dạng toán học:

 ( ) *( )

)(

ở đây  là kích thớc của bớc Điều đó có nghĩa là ta đã xây dựng thuật toán cập nhậttuần tự cực tiểu hàm tổn thất Tuy nhiên thuật toán này không thể thực hiện đ ợcchừng nào chúng ta cha biết Ex(n)e*(n)

Thuật toán RLS dùng trong lọc thích nghi để tìm các hệ số bộ lọc sao cho

bình phơng hồi quy của tín hiệu sai số là nhỏ nhất ý tởng cơ bản của RLS là cựctiểu hoá hàm sai số bình phơng còn đợc gọi là hàm tổn thất Hàm tổn thất đợc địnhnghĩa nh sau:

n i

i n i

n

w C

2

)(

*)()

(

ở đây 01 là hệ số trọng số, nó giới hạn số lợng các mẫu đầu vào, dựa trên hệ sốnày mà hàm tổn thất đợc cực tiểu hoá Tín hiệu sai số e(n) nh đợc xác định tronghình 1.10 Hàm tổn thất đợc cực tiểu hoá bằng cách đạo hàm riêng cho tất cả k lốivào của véc tơ hệ số wn và cho các kết quả bằng 0:

i n n

i n n

k w

i e i e k

)(

*)()

(

)(



Tiếp theo thay thế e(n) bằng định nghĩa tín hiệu sai số:

0)(

*)()()

(

0 0

i n n

i

i n p

l n

k i x i d k

i x l i x l

w

0 0

0

)(

*)()

(

*)()

Dạng này có thể đợc biểu diễn ở dạng ma trận:

) ( )

(n w r n

ở đây R x (n)là ma trận tự tơng quan trọng số đối với x(n) còn r dx (n)là tơng quan

chéo giữa d(n) và x(n) Dựa trên biểu thức này chúng ta tìm các hệ số sao cho hàm tổn thất cực tiểu nh sau:

) ( ) (

Các phơng pháp giảm sai số có thể phân ra hai nhóm: nhóm phơng pháp xử

lý tín hiệu đầu ra thiết bị đo lờng (thờng theo phơng pháp lấy trung bình) và nhómphơng pháp tác động vào tham số cấu trúc của thiết bị đo lờng nhằm làm ổn định vàduy trì đặc tính biến đổi thực của hệ thống tiến gần đến lý tởng

Trong thiết bị đo số, giải pháp tăng độ chính xác của thiết bị chủ yếu dựa trên

xử lý tín hiệu số Cơ sở khoa học cho sự lựa chọn này, một mặt bắt nguồn từ tínhvững chắc, làm việc ổn định của các hệ sử lý số đợc xây dựng trên kỹ thuật côngnghệ hiện đại, mặt khác tận dụng đợc khả năng ngày càng cao về xử lý tín hiệu của

nó Đó là sự lựa chọn có tính tất yếu

Sử dụng công nghệ FPGA trong thiết kế thiết bị số nói chung và thiết bị đonói riêng là một xu hớng phát triển do tính đơn giản trong thiết kế và xử lý trongthời gian thực, rất thích hợp sử dụng trong các quy trình công nghệ đòi hỏi tínhchính xác và yêu cầu cao về tốc độ FPGA trong tơng lai sẽ là công cụ hữu hiệukhông chỉ trong lọc số nói riêng mà trong xử ly tín hiệu số nói chung

Chơng II Nghiên cứu công nghệ FPGA 2.1 Giới thiệu chung

2.1.1 Lịch sử phát triển của FPGA

Với sự phát minh ra các máy tính đầu tiên vào những năm 1940 và 1950, việcthiết kế các chíp máy tính trở thành một lĩnh vực khoa học phát triển rất nhanh Vàogiữa những năm 1980, một kiểu kiến trúc mới của máy tính đã ra đời gắn với sự xuấthiện của công nghệ mạch tích hợp, cùng với điều đó là sự tạo ra các thiết bị logic cóthể lập trình, đặc biệt hơn các chíp có ma trận cổng có thể lập trình đợc theo các tr-

ờng Field programmable gate array (FPGA) là.

Xilinx Inc đã phát minh ra FPGA năm 1985 Công ty này đã xây dựng các bộnhớ lôgic có thể lập trình đợc và kế tiếp là tạo ra chip có thể lập trình các trờng.Thiết bị lôgic có thể lập trình đầu tiên là bộ nhớ PROM Đây là bộ nhớ non-volatile

có thể lấy thông tin ra đợc Các kiểu PROM khác nhau hoặc có thể đợc lập trình mặtnạ bởi nhà sản xuất (các chíp có thể lập trình mặt nạ) hoặc có thể lập trình bởi ng ời

sử dụng (có thể lập trình các trờng) Có thể lập trình trờng là một dạng mà từ đó cácchip FPGA đợc phát triển

Sự phát triển tiếp theo của lập trình logic là chíp mảng cổng có thể lập trìnhtrờng Đầu tiên là các thiết bị logic có thể lập trình đợc (hay PLD) Mặc dù có mộtvài kiểu PLD khác nhau, nhng kiểu phổ biến nhất là thực hiện một tập các cổnglogic OR cố định đặt trớc mảng các cổng logic AND có thể lập trình Cũng nhPROM, PLD có thể lập trình bởi nhà sản xuất và có thể lập trình bởi ngời sử dụng.Những PLD này đặt nền móng cho sự phát triển của FPGA

Năm 1985 với sự phát minh ra FPGA, Xilinx đã tạo ra một thiết bị có khảnăng lập trình cả cổng lẫn kết nối giữa các cổng Từ đó FPGA không ngừng pháttriển và đợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế

2.1.2 Các ứng dụng của FPGA

FPGA phát triển rất nhanh khoảng một thập kỷ trở lại đây do phạm vi ứngdụng rất rộng bao gồm: logic ngẫu nhiên, kết hợp nhiều SPLD, các bộ điều khiểnthiết bị, mã hoá thông tin, lọc, các hệ thống có các khối SRAM kích thớc nhỏ đếntrung bình và lớn Một lĩnh vực hứa hẹn cho ứng dụng FPGA đang đợc phát triển là

sử dụng FPGA làm máy tính thông thờng, nghĩa là sử dụng các phần cứng có thể lậptrình để thực hiện phần mềm chứ không biên dịch phần mềm rồi mới thực hiện trênmột CPU

FPGA mở ra hớng phát triển mới cho các công cụ xử lý tín hiệu Giờ đây nó

là thành phần thiết yếu trong các thiết bị số do tính mềm dẻo và khả năng xử lý thờigian thực cao Ngày càng nhiều nhà thiết kế hệ thống quay sang khả năng xử lý tínhiệu trong FPGA thay vì sử dụng các bộ xử lý tín hiệu số truyền thống DSP FPGAthực hiện các hàm tích luỹ và nhân song song với tốc độ cao Họ các FPGA hiệnthời có thể thực hiện phép nhân 18x18 ở tốc độ trên 200MHz Điều này làm choFPGA là một công cụ lý tởng cho FFT, FIR, các bộ chuyển đổi số, các bộ tơngquan, các bộ nén xung (cho xử lý rada)

Các nhà thiết kế sản phẩm điện tử sử dụng FPGA trong một phạm vi rộng nhcamers số, TV số, các hộp set-top, bàn điều khiển trò chơi, máy chiếu hình PC, các

hệ thống thông tin điều khiển GPS Lý do mà ngời thiết kế sử dụng FPGA là tốc độ

xử lý cao, kích thớc gọn, công suất thấp, khả năng cải tạo logic của lõi

Với lợi thế về xử lý song song, các FPGA có thể xử lý lọc, các vòng điềukhiển phức tạp, bộ đếm thời gian và các thao tác số tuần tự, tất cả đều song song trêncác đờng I/O độc lập Ngoài ra đồng hồ của FPGA có thể chạy tới 80MHZ cho phépchạy một vài vòng điều khiển đồng thời trên một FPGA ở tốc độ lên tới 12.5ns

Lợi ích khác của FPGA là thuật toán và mã cho các thiết bị điều khiển và đolờng có thể cải tạo lại đợc Chính vì tất cả các u điểm trên mà FPGA đang là một xuhớng mới trong nghiên cứu thiết kế sản xuất các vi mạch điện tử phục vụ cho cácmục đích thơng mại và quân sự

2.2 Kiến trúc của FPGA

FPGA là một thiết bị bán dẫn chứa nhiều khối logic và các kết nối giữachúng có thể lập trình Các khối logic có thể lập trình để thực hiện chức năng cổnglogic cơ bản (nh AND, OR, XOR , NOT) hay chức năng tổ hợp phức tạp hơn nh bộgiải mã, hàm toán học Trong hầu hết các FPGA, khối logic gồm các phần tử nhớ(flip-flop) hay các khối nhớ hoàn hảo hơn

Các kết nối có thể lập trình theo phân cấp cho phép các khối logic của FPGAkết nối đợc với nhau theo mong muốn của ngời thiết kế hệ thống Các khối logic vàcác kết nối này có thể đợc lập trình sau quá trình sản xuất bởi nhà thiết kế hay ngời

sử dụng sao cho FPGA có thể thực hiện bất cứ chức năng logic nào cần thiết

Kênh

định tuyến

Khối I/O

Khối logic

Hình 2.1: Kiến trúc của FPGA

Kiến trúc cơ bản của FPGA gồm ba bộ phận cơ bản: mảng các khối logic, cáckênh định tuyến và các khối I/O Các khối I/O tạo thành một vòng bao quanh mépngoài của các bộ phận Mỗi khối có các đầu vào, đầu ra có thể lựa chọn riêng rẽhoặc truy cập hai chiều tới các chân I/O phía bên ngoài của đóng gói FPGA Bêntrong vòng các khối I/O là mảng chữ nhật các khối logic Và việc kết nối các khốilogic với nhau và với các khối I/O đợc thực hiện bởi dây nối có thể lập trình đợc.Các kênh định tuyến nói chung có cùng độ rộng (số lợng dây).

2.2.1 Các khối logic:

Khối logic thực hiện logic tổ hợp và logic tuần tự

Các khối logic có cấu tạo nh sau:

Hình 2.2: Cấu trúc của khối logic

Khối logic gồm một bảng lookup (lookup table- LUT) gồm 3, 4 hoặc 5 đầu,một thanh ghi dịch và một vài bộ ghép kênh MUX vào tuỳ dạng chip

LUT có chức năng thực hiện logic tổ hợp LUT N đầu vào đợc sử dụng đểthực hiện hàm tổ hợp N đầu vào bất kỳ LUT đợc lập trình theo bảng chân lý Mỗikhối logic có thể lập trình riêng rẽ để thực hiện một chức năng duy nhất

Thanh ghi dịch dùng cho logic tuần tự, thờng đợc chọn để chứa đầu ra củaLUT và có thể đợc kích hoạt bởi xung đồng hồ dơng hoặc âm Còn MUX cho phépchọn đầu vào của LUT hay một đầu vào từ bên ngoài

2.2.2 Định tuyến trong FPGA:

Việc kết nối đầu vào và đầu ra tới các khối logic đợc thực hiện thông qua dâynối và định tuyến có thể lập trình đợc thông qua các chuyển mạch kết nối

Chân đầu vào, đầu ra khối loigic có thể nối tới bất cứ đoạn dây dẫn trongkênh gần với nó Hình 2.3 mô tả cách đấu chân của khối logic với kênh định tuyến

Hình 2.3: Sơ đồ đấu chân của khối logic tới dây nối

Định tuyến của FPGA không bị phân đoạn Nghĩa là, đoạn dây nối chỉ kéodài từ một khối logic và kết thúc trong hộp chuyển mạch Chỉ bằng cách xoay mộtvài chuyển mạch lập trình là có thể xây dựng một tuyến dài hơn

Khối logic

Khối chuyển mạch

dây nối

Hình 2.4: Cấu trúc định tuyến của FPGA

Bất cứ chỗ giao nhau nào của kênh theo chiều ngang và theo chiều đứng đều

có hộp chuyển mạch (xem hình 2.4) Trong kiến trúc này khi một dây đi vào hộpchuyển mạch có ba chuyển mạch có thể lập trình sao cho cho phép nó nối tới 3 dâykhác trong đoạn kênh lân cận

Topo của hộp chuyển mạch có sơ đồ nh hình 2.5 Trong sơ đồ, một dây trong

đờng số 1 chỉ nối tới các dây trong đoạn kênh lân cận theo đờng số 1 Dây trong ờng số 2 chỉ nối tới các dây khác theo đờng số 2 và cứ nh vậy…

đ-Kết nối

có khả năng

Dây

định tuyếnChân khối

locgic

Hình 2.5: Sơ đồ chuyển mạch dây nối

Kỹ thuật chuyển mạch trong FPGA hoặc dựa trên chuyển mạch SRAM hoặcantifuse Thuật toán định tuyến thờng dựa trên SRAM, ngời đặt một bộ đệm giữa đ-ờng định tuyến và chân vào để tăng tốc cho việc kết nối Để tiết kiệm diện tích, kếtnối từ đoạn dây tới chân đầu vào đợc thực hiện qua một bộ ghép kênh Do vậykhông thể nối 2 đoạn dây với nhau qua một chân đầu vào

Hình 2.6: Sơ đồ nối chân khối logic với dây qua chuyển mạch SRAM

Có thể kết nối đầu ra của khối logic tới nhiều của đoạn dây kết nối

2.2.3 Các khối vào ra:

Các khối vào ra có thể lập trình là khối logic đặc biệt ở phần ngoại vi củathiết bị sử dụng cho kết nối bên ngoài

2.3 Ngôn ngữ lập trình VHDL

Đoạn dây

Chuyển mạch cóthể lập trình

VHDL (VHSIC Hardware Description Laguage) là ngôn ngữ mô tả các hệ

thống điện tử số Nó đợc chơng trình quốc gia về các mạch tích hợp tốc độ

cao-VHSIC (Very High Speed Integrated Circuits) do chính phủ Mỹ khởi xớng vào đầu

những năm 1980 Các công ty tham gia chơng trình VHDSIC nhận thấy rằng cần cócông cụ để thiết kế các đầu vào cho các IC chuyên dụng cỡ lớn và họ đã đề xuất lập

ra ngôn ngữ mô tả phần cứng để mô tả cấu trúc và chức năng cho mạch tích hợp(còn đợc gọi là IC)

Kể từ đó, VHDL ra đời và đợc phát triển, sau đó đợc Hiệp hội các kỹ s Điện

và Điện tử – IEEE (Institude of Electrical and Electronic Engineers) chấp nhận

coi nh là tiêu chuẩn tại Mỹ Phiên bản đầu tiên là tiêu chuẩn IEEE 1076-1987 (còn

đợc gọi là VHDL-87) Phiên bản này đợc bổ sung sửa đổi năm 1993 thành IEEE1076-1993 (còn đợc gọi là VHDL-93)

VHDL đợc xây dựng nhằm thay thế cho một số khâu của quá trình thiết kế

Đầu tiên nó cho phép mô tả cấu trúc của một bản thiết kế, tức có thể phân tách bảnthiết kế thành các bản thiết kế con và kết nối các bản thiết kế con đó lại với nhau.Thứ hai, nó cho phép mô tả đặc điểm chức năng của bản thiết kế nh trong ngôn ngữlập trình Thứ ba, dựa vào kết quả đạt đợc, nó cho phép mô phỏng thiết kế trớc khi đ-

a vào sản xuất, vì vậy nhà thiết kế có thể kiểm tra điều chỉnh chính xác mà khôngmất thời gian, tiền bạc vào việc chế tạo mẫu thử đầu tiên

Sau đây trình bày những vấn đề cơ bản về cấu trúc lập trình VHDL

2.3.1 Mô tả đầu vào

Một hệ thống số thờng đợc thiết kế dới dạng các module Mỗi một module sẽ

có một số cổng vào/ra để giao tiếp với các thành phần bên ngoài Trong VHDL kháiniệm thực thể (entity) là thành phần mô tả giao tiếp bên ngoài của thiết kế cùng vớicác thuộc tính liên quan đến giao tiếp

generic (fmax: frequency := 30 MHz;width:positive:=16);

port (clock : in bit;

address : out integer;

data : inout std_logic_vector(width-1 downto 0);;

control : out bit;

port map (danh s¸ch kÕt hîp port);

PhÇn khai b¸o cña khèi ;

begin

C¸c phÇn lÖnh cña khè.i;

end block [nh·n khèi];

VÝ dô 2: KiÕn tróc cña mét bé vi xö lý cã ph©n chia thµnh c¸c block.

architecture block_structure of processor is

type data_path_control is … ; ;

signal internal_control : data_path_control;

control_unit : block port (clk : in bit;

bus_control : out proc_control;

bus_ready : in bit;

control : out data_path_control);

port map ( clk => clock, bus_control=>control,

bus_ready=> ready;control => internal_control);

các khai báo cho control_unit

begin

các lệnh cho control_unit

end block control_unit;

data_path : block

port (address : out integer;

data : inout word_32;

2.3.2.c Khai báo các th nh phần (component) ành phần (component)

Kiến trúc cho phép sử dụng các thực thể khác có sẵn trong th viện Để làm

đ-ợc điều đó, kiến trúc phải khai báo thành phần (là định nghĩa mẫu của thực thể) đểthuyết minh trong kiến trúc Để sử dụng đợc ta phải đặt cấu hình cho thành phần đó

Cú pháp mô tả thành phần nh sau:

component tên thành phần

[ mệnh đề generic cục bộ ] [ mệnh đề port cục bộ ]

generic map (data_bits => 16, addr_bits => 8);

port map (en => rom_sel, data => param, addr =>a(7 downto 0);

2.3.3 Mô tả hoạt động

Mô tả hoạt động trong VHDL đợc thực hiện thông qua lập trình có cấu trúcgiống nh trong các ngôn ngữ lập trình bậc cao Sau đây chỉ tập trung làm sáng tỏ cácmô tả đặc biệt chỉ có trong VHDL

thì s nhận giá trị 0 ‘0’ ’ sau khi phép gán đợc kích hoạt 10 ns.

Khi thực hiên phép gán nh thế ta thấy tín hiệu ra bị trễ một khoảng thời gian

nhất định VHDL có hai loại trễ: trễ truyền tải (transport) và trễ quán tính (inertial).

Trong VHDL trễ quán tính là chế độ mặc định Bản chất của trễ quán tính là không

lan truyền các xung ngắn hơn độ giữ chậm chỉ định Mệnh đề after sẽ tự động gán

trễ quán tính Trễ truyền tải giống nh trễ đờng dây nó sẽ lan truyền tất cả các thay

đổi của tín hiệu đầu vào mà không quan tâm đến chúng thay đổi nhanh nh thế nào

Trễ truyền tải phân biệt với trễ quán tính bằng từ khoá transport đứng trớc.

s <= transport Z ‘0’ ’ after 10 ns;

2.3.3.b Khai báo quá trình (process) v đợi (wait) ành phần (component)

Đơn vị chủ yếu mô tả hoạt động trong VHDL là quá trình process Process

xử lý các lệnh tuần tự Khi nhiều process đợc kích hoạt tại một thời điểm thì chúng

đợc kích hoạt đồng thời Cú pháp trình bày process:

[nhãn process : ]

process [(danh sách các thành phần nhạy cảm)]

khai báo kiểu, khai báo hằng,