Đồ án kỹ thuật mạch điện pptx

Chuyển đổi AD cần lấy mẫu tín hiệu tương tự, nên để khôi phục tín hiệu đạt chất lượng cao thì phải tuân theo định lý lấy mẫu, tức là tần số tín hiệu lấy mẫu phải thỏa mãn điều kiện lớn h

PHẦN MỘT

CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

I./ Khái niệm chung:

Hiện nay trong các hệ thống thông tin, truyền thông, điện dân dụng sử dụng chủ yếu là phương pháp số, nhưng thực tế các tín hiệu hữu ích: tiếng nói, tín hiệu chuyển đổi đo lường lại hầu hết là tín hiệu tượng tự, cho nên cần phải chuyển đổi sang tín hiệu số, sau đó xử lý để đạt được yêu cầu đề ra, và sau cùng là phải chuyển đổi ngược lại từ tín hiệu số về tín hiệu tương tự, có thể khái quat hệ thống đó bằng sơ đồ khối sau đây :

Ví dụ: một tín hiệu tại thời điểm t có biên độ là 13V, có thể biểu diễn đơn giản bằng số nhị phân là : 13 = 1.23+1.22+0.21+1.20

Ơ công thức trên bn-1 được gọi là bit có ý nghĩa lớn nhất, kí hiệu là MSB (Most

Significant Bit), bà b0 được gọi là bit có ý nghĩa nhỏ nhất, kí hiệu là LSB (Least Significant Bit)

Hoặc có thể mô tả bằng đặc tuyến như hình vẽ sau, với một bộ biến đổi N bít nhị phân thi :

Q = ULSB = max

A N

U

UAmax : trị cực đại cho phép của điện áp tương tự đầu vào

Q : gọi là mức lượng tử

Do tín hiệu số là tín hiệu rời rạc, nên trong quá trình chuyển đổi AD xuất hiện sai số gội là sai

số lượng tử hóa, được xác định bởi : VU = 1

Chuyển đổi AD cần lấy mẫu tín hiệu tương tự, nên để khôi phục tín hiệu đạt chất lượng cao thì phải tuân theo định lý lấy mẫu, tức là tần số tín hiệu lấy mẫu phải thỏa mãn điều kiện lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu Analog vào :

Fm>=2fthmax=2B(B: băng tần tín hiệu tương tự);

Ttheo lí thuyết lượng tử hóa, quá trình lượng tử hóa, quá trình lượng tử hóa sinh ra tạp âm, tạp

âm này phản ánh khi thực hiện phep biến đổi ngược DA, có thể coi quá trình lượng tử hóa là quá trình cộng tín hiệu XA và tín hiệu tạp âm Xta, người ta chứng minh được tạp âm lượng tử hóa cs thể coi là tạp âm trắng, khi -Q≤ XA≤ Q/2.Và mật độ phổ công suất của tạp âm được xác định :

Sta() =

212

Q

Trong đó U ta : giá trị trung bình bình phương của điện áp tạp âm.2

Nếu nối với một điện trở tải, có thể xác định được công suất của tạp âm phản ảnh ở tải là :

PR =

212

U = 20lg 6(2N - 1) (5)

II./ Các tham số cơ bản:

1./ Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào :

Là khoản điện áp mà trong bộ chuyển đổi AD có thể thực hiện được

Khoảng điện áp đó có thể lấy trij số từ 0 tới môt giá trị dương hoặc âm nào đó hoặc cũng có thể là điện áp 2 cực tính từ -UAM  +UAM

2./ Độ chính xác của bộ chuyển đổi AD:

Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của ADC là độ phân biệt Ta biết rằng trên đầu ra của ADC là các giá trị số ss]ơcj sắp xếp theo quy luật của một loại mã nào đó Số các số hạng của mã số ở đầu ra (số bit trong mã hóa nhị phân) tương ứng với dải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép biến đổi

Ví dụ: một ADC có số bit ra N=8 có thể phân biệt được 28=256 mức trong dải biến đổi điện áp vào của nó, độ phân biệt của một ADC chính là mức lượng tử Q ở trên Q chính là giá trị của một mức lượng tử hóa còn được gọi là LSB

3./ Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi

AD mà bộ chuyển đổi có thể chuyển đổi được, giá trị này có thể âm, dương, hoặc dải từ âm sang dương, thực tế ta cần kết hợp với các mạch hạn biên, nén trước khi đưa đến IC chuyển đổi AD

4./ Độ chính xác : thường đặc trưng bởi số bit, số lượng bit lượng tử hóa càng nhiều thì độ chính xác càng cao, thường ta có các IC chuyển đổi AD 8bit, 10bit, 12bit, 20bit, 32bit Ngoài ra còn có các thông số khác ảnh hưởng đến độ chính xác như: sai số lệch không, sai số khuêchs đại

5./ Tốc độ chuyển đổi : cho biết số kết quả chuyển đooir trog một giây, tức là tần số

chuyển đổi fc , thông số này phản ảnh khả năng làm việc, thời gian thực hiện của hệ

thống,trong hệ thống viễn thông của nó là thông số tích lủy độ trể của tín hiệu, thông số này (fc) phải càng lớn càng tốt

III GIỚI THIỆU VỀ ADC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ

1 Tổng quan về biến đổi tương tự số

Các khái niệm cư bản:

- tín hiệu tương tự là tín hiệu được xác định trong khoảng thời gian liên tục và trong đó

có thể có khoảng giá trị liên tục

- Lượng tử hóa: mô tả quá trình diễn biến bằng tập hữu hạn các trị số phân biệt Biến lượng tử hóa là biến chỉ có thể có những giá trị số phân biệt

- Tín hiệu rời rạc là tín hiệu được biểu diễn bởi hàm của biến rời rạc

(ví dụ: rời rạc theo thời gian)

Nếu dực vào biên độ, chúng ta cũng có thể phân loại tín hiệu rời rạc làm 2 loại :

- Tín hiệu lấy mẫu

Là bộ phận không thể thiếu trong quá trình gia công số tín hiệu Các tham số trong thế giới thực chẳng hạn nhiệt độ, áp suất, độ ẩm trước tiên phải được biến đổi bởi một bộ cảm biến sang một đại lợng điện rồi sau đó mạch tương tự điều hòa tín hiệu trước khi đưa vào ADC, ADC chuyển đổi các tín hiệu tương tự này sang tín hiệu số mà máy tính

có thể xử lí được

b.) Nguyên tắc làm việc của ADC

Nguyên tắc làm việc của ADC được minh họa như Hình 1

Analog Tin hiệu ânlog đã đọc Tín hiệu đã lấy mẫu Digital

H1: Sư đồ mô tả quá trình chuyển đổi

Đầu tiên tín hiệu tương tự được xử lí bởi một bộ lọc thông thấp, chức năng của nó là để hạn chế dải tần của tín hiệu, loại bỏ các thành phần tần số cao không cần thiết Sau khi lọc lấy được tín hiệu có tần số thấp thì được cho vào bộ lấy mẫu và giữ mẫu với tốc độ fs do tốc độ đồng hồ chuẩn quy định Mạch lấy mẫu và giữ cảm biến mức tín hiệu tương tự mỗi lần trong một chu kì lấy mẫu và "cố định" trị số đó cho tới điểm tương ứng trong chu kì lấy mẫu tiếp theo Việc lấy mẫu được tiến hành trong các khoảng thời gian đều đặn và để tránh hiện tượng chồng phổ Đầu tiên tín hiệu được rời rạc hóa, lấy mẫu tín hiệu tại những thời điểm khác nhau và cách đều nhau :

Bộ đổi A / D(A/D Converter)

- Tiếp theo : giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình lượng tử hóa và mã hóa, tín hiệu rời rạc hóa được làm tròn với độ chính xác là ±Q/2 , theo công thức sau :

• ZDi = int X Q Ai = X Q Ai - VX Q Ai

;

• Trong đó: XAi - tín hiệu tương tự tại thời điểm i

ZDi - tín hiệu số tại thời điểm i

Cuối cùng sẽ được cho vào bộ biến đổi AD, bộ biến đổi AD biến đổi tín hiệu tương tự không đổi từ số biểu diễn bằng một số hữu hạn các bit thông qua mạch mã hóa bit, thường mã hóa ra

ra mã nhị phân, quá trình mã hóa có thể để nguyên mã này hay biến thành các mã khác như BCD, GRAY, D3 Quá trình này có thể thực hiện sau lượng tử hóa hoặc đồng thời Giả sử mỗi từ nhị phân có n bit  số mức là m = 2n

Chỉ có một số hữu hạn các mức có thể được biểu diễn được bằng quá trình biến đổi Do đó trong bộ AD xuất hiện sự lượng tử hóa biên độ, với mỗi mẫu tương tự được gán cho 1 trong m mức số khả dĩ theo một quy ước nào đó Như vậy các giá trị số cuối cùng được lượng tử hóa cả

về số lẫn biên độ Sau mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa Trong mạch mã hóa, kết quả lượng

tử hóa được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra của bộ chuyển đổi

PHẦN HAI:

CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ/SỐ:

Chúng ta sẽ khảo sát một số phương pháp biến đổi số phổ biến hiện nay Mục đích chính của chúng ta là thiết kế mạch ADC theo phương pháp biến đổi điện áp - tần số VFC sẽ được trình bày ở phần sau Ở đây chúng ta chỉ mang tính chất giới thiệu nhằm mục đích có cơ sở để so sánh với phương pháp của chúng ta

CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ/SỐ

I Flash ADC ( Hay còn gọi là ADC theo phương pháp song song).

- Điện áp UA được đưa đồng thời đến đầu vào của các bộ so sánh: SS1, SS2, ,SSn, điện

áp chuẩn Uch được đưa dến đầu vào thứ hai qua thang điện trở R, do vậy các điện áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ SS1  SSn

- - Tại các đầu ra bộ so sánh: nếu điện áp vào > điện áp chuẩn: cho mức logic là 1 và nếu điện áp vào < điện áp chuẩn : cho mức logic 0

- - Tất cả tín hiệu ra so sánh nối với mạch Và(AND) Chỉ khi có xung nhịp (Ck) đưa đến mạch AND thì đầu ra mạch AND mới có tín hiệu đưa đến các Flip-Flop(FF) như

SƠ ĐỒ MẠCH FLASH ADC NHƯ SAU:

ADC tích phân dốc đơn ADC tích phân hai sườn dốcADC tích phân hai sườn dốc

Flash ADC ADC kiểu

nối tiếp ADC tích phân kiểu sườn dốc

ADC kiểu xấp

xỉ tuần tự

ADC theo phương pháp Sigma Delta

ADC dùng biên đổi VFC

II Chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc:

- Mạch logic điều khiển khóa K ở vị trí 1 thì UA nạp cho tụ C qua R, trên đầu ra mạch tích phân xác định được:

U'C = 1

RC ∫U dt A = 1

RC UAt Như vậy sau khoảng thời gian t1, ta có : U'C1 = 1

RC UA t1

UC1 tỉ lệ với UA lớn hay nhỏ mà U'c(t) có độ dốc khác nhau

- Trong khoảng thời gian t1 bộ đếm Zo cũng được kích đếm, hết thời gian t1 khóa K được mạch logic điều khiển sang vị trí 2, đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng được đưa đến mạch AND, làm cho mạch này tích cực, thông xung nhịp, và bộ đếm bắt đầu đếm, đồng thời bộ đếm Zo được kíc ngừng đếm

- - Khi K ở vị trí 2, điện áp chuẩn Uch bắt đầu nạp điện cho tụ C theo chiều ngược lại theo phương trình nạp :

Mặt khác số xung đã đến mạch đếm Zo trong khoảng t1 là :

Zo = t1.fn , (2) trong đó fn là tần số dãy xung nhịp

Từ (1) và (2) 2 A o

ch n

Z U t

ch ch

Z U

Sau khoảng t2 mạch đếm ra bị ngắt, vì UC = 0

Quá trình trên được lặp đi lặp lại trong chu kì chuyển đổi tiếp theo Từ (4) ta thấy

số xung đếm được ở đầu ra tie lệ với UA, kết quả đếm độc lập với R, C, fn nhưng phương pháp này có tần số xung nhịp có độ ổn định cao (sao cho trị số là như nhau trong 2 khoảng thời gian

t1 và t2 )

PHẦN BA:

ADC DÙNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP - TẦN SỐ (VFC)

Nội dung chính của phương pháp:

I./ Cấu trúc khối, nguyên lí biến đổi điện áp - tần số, tìm hệ số biến đổi : x

x

f U

V

V = K

II./ Thiết kế mạch điện nguyên lí (lựa chọn linh kiện thực hiện mạch nguyên lí)

1/ Điện áp vào chỉ có cực tính dương 0 - 10V (dùng mạch lấy modul kết hợp với mạch chỉ thị dấu)

2/ Chỉ thị tần số ra theo phương pháp đếm

III./ Tim hiểu IC AD 534 sử dụng trong việc biến đổi điện áp - tần số, VCC = ±15V 1/ UVào từ 100mV - 10V; URa = ±15V (dùng khuếch đại thuật toán AD 211) 2/ K = 1Khz/V ; fRa = K.UVào, K = 1

40RC (RC nối ra ngoài qua Z1Z2 xuống 0V)

Sơ đồ khối của phương pháp biến đổi điện áp sang tần số (Voltage to Frequency Converter - VFC):

Bộ tích phân

V F C

Nguyên lí biến đổi điện áp tần số :

- Ban đầu đưa điện áp │UX │được đưa vào hai bộ khuếch đại đảo và khuếch đại lặp để tạo

ra đồng thời hai mức điện áp ± UX rồi sau đó mới đưa vào chuyển mạch tương tự gồm hai transistor T1 và T2 được điều khiển bởi điện áp điều khiển URa = UMax / UMin của mạch Trigơ Smit không đảo

- Khi URa = UMax thì T1 đóng, T2 tắt (T1 , T2-)  Sw đọc │UX │> 0 và đưa tới mạch tích phân  tạo ra tín hiệu Uq quét xuống, UMax qua R1 và R2 ( hồi tiếp dương) Lúc này Uq bắt đầu giảm dần cho đến khi đạt đến mức ngưỡng UNgăt = - 1

2

R

R UMax.Khi Uq giảm tới :Uq(t) = UNgắt thì  SFF lật trạng thái : UMax  UMin

- Lúc này sẽ điều khiển chuyển mạch : T1 tắt, T2 mở.(T

-1, T+

2), lúc này mạch tiến hành đọc -│UX │< 0 và đưa tới mạch tích phân  Tạo ra tín hiệu Uq quét hướng lên, UMin qua R1 và R2 (hồi tiếp dương)

Lúc này Uq tăng dần cho đến khi đạt đến mức ngưỡng UNối = - 1

U dt

∫ = - 1

2 Max

R U R



1

1 2 0

• Khi URa = UMin  UX < 0 : Quét lên

• Uq tăng dần cho đến UNối = - 1

2 Min

R U R

 Uq =

2

1 2

2

1

1 2

1./ Điện áp vào chỉ có cực tính dương : 0V đến 10V

( Dùng mạch lấy modul kết hợp với mạch chỉ thị dấu)

- Tín hiệu vào đưa vào một chuyển mạch thang đo để trích lấy mẫu tín hiệu khoảng 1V để đưa vào mạch vào Như vậy kết quả sau khi biến đổi ta phải đọc giá trị khi đã nhân với

hệ số nhân của chuyển mạch này

Ví dụ: khi thang đo ở vị trí 1 thì ta lấy kết quả nhân với 1, còn khi thang đo ở vị trí 2

thi ta phai lấy kết quả đo nhân với 10

Ở đây, mạch vào gồm cả mạch lấy modul kết hợp với mạch chỉ thị dấu rồi mới đưa tín hiệu vaò đẩu vào của chuyển mạch điện tử của bộ chuyển đổi điện áp - tần số

Tín hiệu sau khi được trích lấy mẫu thì cho qua mạch chỉ thị dấu để xác định dấu của điện áp vào

a./ Sơ đồ và nguyên lí mạch chỉ thị dấu như sau:

Mạch vào

Điện áp vào cần được thông báo là dương hay âm Tất nhiên khi điện áp vào là dương thì không cần thông báo gì cả Việc hiển thị điện áp dương lúc này là do ngầm quyết định Khi điện áp vào là âm(-) ta sử dụng một LED vạch để hiển thị dấu trừ (-) này hoặc hiển thị bằng LED bình thường nhưng phải có dòng chữ dán bên cạnh là "Điện áp âm".

Nguyên lí : - Khi Vin > 0 thì Vout = 0V  LED không sáng

- Khi Vin <0 thì Vout =5-9V  LED sáng

Như vậy nhờ vào sự sáng hay không sáng mà ta biết được dấu của điện áp vào

Điện áp ra ở trên lại được tiếp tục cho vào mạch lấy modul như dưới đây

b./ Sơ đồ mạch lấy modul

Sơ đồ mạch lấy modul

- Tín hiệu vào gồm hai tín hiệu Ux và Uy cho vào mạch nhân, tại đầu ra 3 và 6 ta se có các tín hiệu là : U2x và U2y Hai tín hiệu này cho vào mạch cộng với giá trị của điện trở tùy chọn (R=5k) Tại đầu ra số 1 của OP ta thu được tín hiệu là : 2 2

x y

U +U

- Tín hiệu này lại tiếp tục được đưa vào mạch lấy căn để tạo ra tín hiệu lấy modul

Trong mạch thiết kế thì ta chỉ có một tín hiệu Ux (Uy=0) nên tại đẩu ra số 1 của OP ta chỉ thu được tín hiệu là : Ux Tín hiệu này sau khi cho qua mạch lấy căn bậc hai thì ta sẽ thu được tín hiệu lấy modul như sau : U x

2./ Chỉ thị tần số ra theo phương pháp đếm:

Tín hiệu lấy modul sau khi qua chuyển mạch tương tự sẽ được đưa vào mạch tích phân của bộ biến đổi điện áp - tần số, tín hiệu Uq tạo ra sẽ biến thiên tăng hoặc giảm dần tùy thuộc vào đầu vào của mạch tích phân là âm hay dương Tín hiệu quét này sẽ đến chạm vào mạch Trigơ Smit làm lật trạng thái của mạch Trigơ,cứ mỗi lần mạch này đảo trạng thái một lần thì ứng một nữa chu kì của tần số, khi điện áp càng tăng thì mạch đảo trạng thái càng nhanh, lúc

đó tần số của điện áp sẽ tăng theo tỉ lệ tuyến tính với điện áp vào theo công thức (*) :

2 1

1

V

Mạch

Vào

Tạo dạng xung đếm

Mạch Cửa

Mạch đếm xung

Bộ tạo

t/h

có T ch

Tạo dạng xung

Mạch /k

đ Trigơ

Tạo xung xoa

Mạch Giải mã

Chỉ thị số

1 1 1 1 1

Ta có giản đồ của các tín hiệu theo thời gian tại các điểm trong sơ đồ như sau:

Giả thiết tín hiệu vào cần đo là tín hiệu tam giác, ta có:

Để thực hiện mạch đo tần chỉ thị bằng phương pháp đếm xung ở trên ta có thể dùng Vi điều khiển để điều khiển quá trình đo và hiển thị lên màn hình LCD Mạch thực hiện sẽ được trình bày ở phần cuối của đồ án.

a./ Bộ tạo xung có thời gian chuẩn:

Nó bao gồm bộ tạo thạch anh chuẩn 12Mhz của vi điều khiển AT89C51 Vai trò của vi điều khiển trong bộ tạo xung chuẩn này là tạo ra xung chuẩn là 1Hhz (chu kì là 1s)

b./ Bộ điều khiển :

AT89C51 còn có vai trò điều khiển quá trình đo Trong chu kì 1s thì AT89C51

sé liên tục đếm các xung của tín hiệu lật trạng thái của mạch Trigơ và lưu lại kết quả Sau đó

nó sẽ gởi kết quả đó hiển thị lên trên màn hình LCD

Kết quả : Số xung đo được trong chu kỳ xung chuẩn Tch là n Ta có công thức tính tần số

Fx của xung chuẩn là:

ch

n F T

=Sai số của phương pháp đo tần bằng đếm xung là:

- Sai số chủ yếu là do sai số của khoảng thời gian chuẩn ( độ ổn định của bộ tạo xung chuẩn VDDK)

- - Sai số đo không đồng bộ giữa xung mở và xung đếm Làm cho số lượng xung đếm được trong thời gian T

III Tìm hiểu IC AD534 sử dụng trong việc biến đổi điện áp - tần số, Vcc ±15V:

UVào =100mV - 10V; URa = ±15V( dùng khuếch đại thuật toán AD211)

K = 1Khz; fRa = K.UVào ; K = 1

40RC(RC nối ra ngoài qua Z1Z2 xuống 0V)

AD534 là một vi mạch được gia công cắt gọt bằng công nghệ laser mang tới độ chính xác cao chỉ gặp trước đây ở các mạch lai đắt tiền hoặc ở các sản phẩm chuyên dụng Tỷ lệ