Báo cáo khoa học: "Ph-ơng pháp nâng cao độ tin cậy và khả năng chống nhiễu khi thiết kế mạch điện tử sử dụng kỹ thuật vi xử lý" pdf

Trong phạm vi bài báo này phân tích một vài phương pháp để nâng cao độ tin cậy và khả năng chống nhiễu khi thiết kế mạch điện tử sử dụng kỹ thuật vi xử lý.. Khối nguồn có chức năng cấp n

Phương pháp nâng cao độ tin cậy

vμ khả năng chống nhiễu

khi thiết kế mạch điện tử

sử dụng kỹ thuật vi xử lý

TS nguyễn thanh hải

Bộ môn Điều khiển học - ĐH GTVT

Tóm tắt: Trên thị trường Việt Nam hiện nay đã xuất hiện một loạt các sản phẩm sử dụng

vi xử lý điều khiển trong lĩnh vực tự động hoá do các nhμ chế tạo trong nước sản xuất Phần lớn các sản phẩm nμy đều đáp ứng được yêu cầu công nghệ của lĩnh vực ứng dụng, nhưng để các sản phẩm đáp ứng được yêu cầu trong sản xuất ngoμi yếu tố công nghệ còn phải đáp ứng được các yêu cầu về độ tin cậy, độ bền vμ khả năng chống nhiễu cao

Summary: Nowadays, products of microcontrollers are used popularly in the field of

automation The article presents some methods of promoting stability and reducing distortion

Trong phạm vi bài báo này phân tích một vài phương pháp để nâng cao độ tin cậy và khả năng chống nhiễu khi thiết kế mạch điện tử sử dụng kỹ thuật vi xử lý

BUS

BUS

Đầu vào Digital

Đầu vào

công suất Nguồn khối

DVCC

AVCC

Analog

Hình 1.

Trong hình (1) mô tả sơ đồ khối của mạch điện tử thường dùng cho các hệ thống đo lường

và điều khiển sử dụng vi xử lý

Mạch analog có chức năng khuyếch đại các tín hiệu từ các đầu đo (Sensor), phần đầu vào của mạch này thường có tín hiệu nhỏ từ 1 mV ữ 100 mV Trong trường hợp xuất hiện nhiễu vào phần này có thể gây ra sai số lớn của hệ thống đo

Thông qua khối biển đổi ADC các tín hiệu dạng tương tự sẽ được chuyển đổi thành dạng số truyền về khối vi xử lý

Khối hiển thị và bàn phím có chức năng giao tiếp với người sử dụng thiết bị

Khối công suất ra có thể dùng để điều khiển các cơ cấu chấp hành bên ngoài

Khối nguồn có chức năng cấp nguồn cho các khối khác để tăng khả năng chống nhiễu thường được thiết kế thành 3 phần:

- Phần cấp nguồn cho mạch Analog

- Phần cấp nguồn cho mạch Digital

- Phần cấp nguồn cho mạch công suất ra

Trong các mạch điện tử có yếu tố chính gây nhiễu chính là sự gây nhiễu thông qua mạch cấp nguồn, nhiễu do trường điện từ của các thiết bị bên ngoài và nhiễu phát sinh bản thân từ trong mạch thiết kế Các yếu tố nhiễu này đều có thể gây cho các mạch lozic số và khuyếch đại tương tự không làm việc theo đúng thiết kế của nhà sản xuất dẫn đến hệ thống làm việc sai, thậm trí dừng toàn bộ hệ thống

Nhiễu vμ phương pháp chống nhiễu qua đường cấp nguồn

Theo các phương pháp thiết kế nguồn truyền thống, mạch nguồn thường có các thành phần chính như sau:

- Biến áp nguồn 50/60 Hz có tác dụng hạ điện áp từ 220 VAC (hoặc 110 VAC) thành các nguồn điện áp thấp từ 8 đến 18 VAC

- Cầu nắn Diode chuyển thành 1 chiều

- Tụ lọc các sóng hài nguồn xoay chiều

- Mạch ổn định điện áp tạo ra các điện áp chuẩn 5 VDC cho khối lozic, ±12 VDC cho các khối khuyếch đại thuật toán và biến đổi ADC

Nguồn điện thiết kế theo nguyên lý này có các nhược điểm là hiệu suất sử dụng thấp, do tần số sóng hài xoay chiều thấp (< 100 Hz) nên việc lọc nguồn khó khăn gây nhiễu cho khối lozic và khuyếch đại, không có khả năng ổn định điện áp khi thay đổi điện áp nguồn lớn, mặt khác do kích thước biến áp nguồn lớn nên chiếm không gian của mạch

Vì vậy trong các thiết kế nguồn hiện đại thường dùng loại nguồn ổn áp theo nguyên lý điều chế độ rộng xung (Switching Power Suply)

Trên hình 2 trình bày sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của mạch nguồn điều chế độ rông xung

Hình 2

Trước tiên nguồn xoay chiều điện áp biến đổi từ 100 ữ 260 VAC được nắn thành thành phần 1 chiều qua cầu diode Trong mạch có khối tạo dao động tần số 52 kHz, qua mạch điều chế độ rộng xung điều khiển tranzitor trường MTP 4N50 Giá trị của điện áp 1 chiều đầu ra phụ thuộc vào biên độ xung và thời gian tồn tại xung trong một chu kỳ điều chế

Nguyên lý của việc ổn định điện áp có thể mô tả như sau: khi điện áp nguồn vào giảm dẫn

đến biên độ xung trên điện trở phản hồi R1 giảm, bộ xử lý sẽ tự động tăng độ rộng của xung bù lại với sự giảm của điện áp nguồn Ngược lại khi điện áp nguồn tăng, bộ xử lý sẽ tự động giảm

độ rộng xung điều chế kết quả điện áp ra tải không thay đổi khi biến đổi điện áp nguồn vào trong dải rộng Trong các mạch thực tế người ta còn thiết kế thêm mạch phản hồi điện áp từ đầu

ra để đáp ứng trong trường hợp tải đầu ra thay đổi lớn

Mạch nguồn thiết kế theo nguyên lý này có khả năng chống nhiễu tốt hơn bởi các lý do sau:

- Khả năng ổn định nguồn tốt, ngay cả trường hợp tụt điện áp đột biến

- Loại trừ hoàn toàn sóng hài bậc thấp (< 100 Hz), nên khả năng lọc nguồn đễ dàng hơn Nhiễu trường điện từ và phương pháp chống nhiễu

Trong tự nhiên có nhiều nguồn phát nhiễu trường điện từ dưới dạng sóng vô tuyến như đài phát thanh truyền hình, sóng điện thoại di động, máy tính, các motor điện trong môi trường công nghiệp

Quan hệ giữa cường độ điện từ và công suất phát thể hiện ở công thức sau:

) cm

mW ( P 4 , 61 ) m

V ( E

2 T

trong đó:

E - cường độ điện từ tại điểm phát tính bằng Volt/m;

PT - công suất phát tính bằng mili Watt/cm

Từ công thức này ta tính cường độ điện từ tại điểm cách xa điểm phát d mét theo công thức xấp xỷ:

d

G P 5 , 5 ) m

V (

trong đó:

E - cường độ điện từ tính bằng Volt/m;

PT - công suất phát tính bằng mili Watt/cm2;

GA - hệ số khuyếch đại Anten;

d - khoảng cách từ nguồn phát đến điểm đo tính bằng m

Ví dụ có nguồn phát 1 W, cách đó 1 m sẽ tồn tại cường độ điện từ là 5,5 V/m Với đài phát thanh phát sóng với công suất 10 kW thì cách đó 1 kW sẽ tồn tại cường độ điện từ là 0,6 V/m Với các mạch Analog tác động nhiễu điện từ sẽ lớn hơn mạch Digital, vì đầu vào thường là dạng tính hiệu nhỏ

Hình vẽ dưới đây mô tả tác động gây nhiễu của trường điện từ vào mạch điện tử:

Hình 3

Dây dẫn dài khi thiết kế mạch in sẽ có tác dụng như anten nhận nhiễu từ trường từ đầu vào mạch khuyếch đại, sẽ tạo ra đầu ra một dạng tín hiệu lớn như hình vẽ 3 Dưới đây minh hoạ một

ví dụ khác mô tả xuất hiện nhiễu vào đường cấp nguồn:

Hình 4

Để giảm bớt nhiễu trong trường hợp này ta có thể thực hiện như sau:

- Giảm nhỏ tối thiểu chiều dài của đường mạch in khi thiết kế

- Tăng cường các tụ lọc tần cao (0,1 μF) giữa đường đất và đường nguồn Các tụ lọc này có tác dụng ngắn mạch các tín hiệu nhiễu khi chạy dài trên các đường đất và nguồn

- Bọc kim loại chống nhiễu cho thiết bị, nối trực tiếp tấm vỏ này xuống đường tiếp địa

Việc chống nhiễu từ trường sử dụng vỏ bọc kim loại dựa trên nguyên lý sự phản xạ sóng từ trường khi va vào vật thể kim loại

Sóng xuyên qua Vùng hấp thu

Sóng phản xạ

Vỏ bọc kim loại Sóng tới

Hình 5.

Để đánh giá hiệu quả của vỏ bọc kim loại trong việc chống nhiễu trường điện từ, ta cần tính

được độ suy giảm của cường độ điện từ giữa sóng tới và sóng xuyên qua Độ suy giảm này là kết quả của sự phản xạ sóng tới trên bề mặt kim loại nên được gọi là độ suy giảm phản xạ

Đối với trường điện, độ suy giảm phản xạ phụ thuộc vào tần số của nguồn phát nhiệt và tính chất của vật liệu làm vỏ bọc kim loại:

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡ μ

σ +

=

2 3 r

r 10 e

r f log 322 ) dB (

trong đó:

σr - hệ số truyền dẫn tương đối của vỏ bọc kim loại;

μr - hệ số từ thẩm tương đối của vỏ bọc kim loại;

f - tần số của nguồn phát nhiễu;

r - khoảng cách đến nguồn nhiễu

Tương tự đối với trường từ, độ suy giảm phản xạ phụ thuộc vào tần số của nguồn phát nhiệt và tính chất của vật liêu làm vỏ bọc kim loại:

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡ μ

σ +

=

r r 2 10 m

fr log 6 14 ) dB (

Khi khoảng cách đến điểm phát nhiễu lớn (r > λ/2π) độ suy giảm phản xạ của trường điện

từ được tính theo công thức:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡ μ

σ +

=

f log 168 ) dB ( R

r

r 10

Khi sóng điện từ đi xuyên vào trong vỏ kim loại, tiềp tục bị hấp thu một phần năng lượng nên cường độ sóng khi đi ra ngoài tiếp tục bị suy giảm Độ suy giảm hấp thụ được tính theo công thức:

f t 34 3 ) dB (

Trong bảng sau thể hiện các giá trị của độ truyền dẫn σ và độ từ thẩm μ phụ thuộc vào loại vật liệu:

Căn cứ vào các công thức từ (1) đến (6) ta có lựa chọn được loại vật liệu và chiều dầy của

nó để hạn chế được nhiễu từ trường ứng với các nguồn phát nhiễu khác nhau

Nhiễu trong nội bộ mạch điện thiết kế

Như ở phần đầu đã giới thiệu, trong một mạch điện hoàn chỉnh thường có khối modul khác nhau Phụ thuộc vào tính năng của từng modul, chúng thường tiêu thụ lượng điện năng khác nhau

Mặt khác các khối công suất ra và lozic thường có mạch dao động khi làm việc tạo ra các tín hiệu nhiễu trên các đường mạch in nguồn cấp (đường cấp nguồn dương VCC và đất GND) Các tín hiệu nhiễu này có thể ảnh hưởng trực tiếp đến các bộ khuyếch đại Analog hoặc bộ biến

đổi ADC Ngoài ra trong khối công suất có thể tạo ra nhiễu từ trường, trong khoảng cách gần loại nhiễu này rất khó loại trừ bằng phương pháp vỏ bọc kim loại, nhiều trường hợp loại nhiễu này làm dừng hoạt động của khối vi xử lý

Việc thiết kế mạch in và bố trí không gian sắp xếp các modul chức năng hợp lý có ý nghĩa quyết định tới việc loại trừ nhiễu trong trong hợp này

Để tránh trường hợp các khối modul bị ảnh hưỡng nhiễu sang nhau thông qua các đường dây nguồn dùng chung, khi thiết kế người ta thường tuân theo quy tắc nối đường đất nguồn theo dạng hình sao ngay tại đầu nguồn Đồng thời các đường dây nguồn của các khối modul khác nhau được tách rời nhau khi đi trên bo mạch in chính

Trên hình (6) thể một nguyên tắc điển hình nối đất hình sao khi thiết kế mạch in

Trên đây đã trình bày một vài phương pháp nâng cao việc chống nhiễu cho các mạch điện

tử, đối với hệ thống có độ tin cậy cao đòi hỏi khả năng tự phục hồi sau khi có tác động nhiễu

Đối với các họ linh kiện lozic và khuyếch đại thuật toán thông thường, luôn luôn có khả năng tự phục hồi vì tính năng hoạt động chỉ phụ thuộc vào các thông số hiện tại (dòng diện,

điện áp, nguồn cấp, dạng tín hiệu vào ) Nhưng đối với các họ vi xử lý có lập trình thì hoàn toàn không như vậy, trong rất nhiều trường hợp nhiễu tác động có thể làm cho con trỏ chương trình nhảy sang một đoạn lệnh khác dẫn đến chương trình không hoạt động đúng, hoặc hoàn toàn bị

“treo” chương trình

Trong trường hợp này để vi xử lý có thể hoạt động trở lại là phải tạo ra một xung Reset bên ngoài để khởi tạo cho vi xử lý

Hình 6

Hình (7) thể hiện mạch tạo xung Reset để khởi tạo cho vi xử lý họ 89C51 khi bật điện lần

đầu

Nguyên lý mạch hoạt động như sau: Trước khi cấp nguồn điện áp trên tụ bằng 0 V, sau khi

có nguồn cấp tụ được nạp với hằng số thời gian τ=RC Khi tụ đang được nạp một điện áp dương cấp cho chân Reset của vi xử lý, trong thời gian này vi xử lý được khởi tạo Khi tụ được nạp đầy, điện áp trên chân reset giảm xuống 0, vi xử lý bắt đầu hoạt động theo chương trình đã

được lập trình sẵn

Giả sử khi vi xử lý đang hoạt động nguồn điện áp cấp cho vi xử lý bị tụt bất thình lình, xung

áp này làm vi xử lý ngừng hoạt động Trong khi đó tụ điện trong mạch reset chưa kịp xả, vì vậy khi điện nguồn nâng lên đủ không có xung reset để khởi tạo cho vi xử lý hoạt động trở lại

Hình 7

Vấn đề nằm ở chỗ ta luôn phải giám sát được nguy cơ thay đổi điện áp nguồn xuống dưới

mức cho phép làm vi xử lý không hoạt động được, vào thời điểm này cần tạo một xung reset để

hệ thống làm việc trở lại Trên thị trường hiện tại có những linh kiện có chức năng này ví dụ như

TLC 1232 hoặc TC1232

Ngoài chức năng trên IC này còn có tác dụng giám sát (Watchdog) xem vi xử lý thực sự

đang chạy đúng chương trình hay không bằng cách sau khoảng thời gian khoảng 100 ms kiểm

tra xem có xung từ vi xử lý đến chân 7 hay không Trong trường hợp ngược lại sẽ tạo ra xung

reset cho vi xử lý

Như vậy trong chương trình vi xử lý phải lập một đoạn mã lệnh trong khoảng thời gian

< 100 ms điều khiển xung ra cổng port nối với chân 7 của IC TC1232

Sơ đồ kết nối giữa vi xử lý và IC TC1232 được trình bày ở hình 8

Hình 8

Hiện tại có một loại các họ vi xử lý đã tích hợp khả năng của IC TC1232 vào trong vi xử lý,

vì vậy sẽ làm giảm các linh kiện trên mạch

Kết luận

Qua những phân tích ở phần trên, ta có thể rút ra được các kết luận sau:

- Công việc thiết kế mạch in và bố trí không gian các khối chức năng khác nhau trên mạch

ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chông nhiễu trong nội bộ

- Sử dụng nguồn cấp ổn dịnh theo nguyên lý điều chế độ rộng xung nâng cao việc chống

nhiễu qua đường nguồn

- Chống nhiễu do trường điện từ có thể dùng phương pháp vỏ bọc kim loại

- Việc sử dụng họ linh kiện theo dõi nguồn cấp và sự hoạt động của vi xử lý vào mạch reset

làm tăng khả năng tự phục hồi sau khi có tác động nhiễu của vi xử lý

Tài liệu tham khảo

[1] Walt Jung and John McDonald Power suply noise reduction and filtering Analog Devices, 2002

[2] Douglas V Hall Microprocessors and interfacing programming and hardware, 1991

[3] Kỹ thuật vi xử lý Nhà xuất bản thông kê, 1987 Ă