Điều khiển động cơ điện một chiều - Chương 4

Điều khiển tốc độ là một yêu cầu cần thiết tất yếu của các máy sản xuất. Ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đòi hỏi có nhiều tốc độ, tùy theo từng công việc, điều kiện làm việc mà

Chương 4 Thiết kế card ghép nối A/D - D/A

4.1 Khái niệm chung

Ngày nay việc gia công, truyền đạt tín hiệu cũng như quá trình điều khiển và chỉ thị phần lớn được thực hiện theo phương pháp số Trong khi đó tín hiệu trong tự nhiên lại biến đổi liên tục theo thời gian, nghĩa là có dạng tương tự Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu tương

tự và các hệ thống xử lý số, người ta dùng các mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC - Analog Digital Converter) nhằm biến đổi tín hiệu tương tự sang số hoặc dùng các mạch chuyển đổi số - tương tự (DAC - Digital Analog Converter) trong trường hợp cần biến đổi tín hiệu số sang tương tự

4.2 Chuyển đổi tương tự - số (ADC – Analog Digital Converter)

4.2.1 Nguyên tắc làm việc của ADC

Nguyên lý làm việc của ADC được minh hoạ trên sơ đồ khối

Hình 5.1: Sơ đồ khối nguyên tắc làm việc của ADC

Tín hiệu tương tự UA được đưa đến mạch lấy mẫu, mạch này có hai nhiệm vụ:

• Lấy mẫu những tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều Thực chất đây là quá trình rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian

• Giữ cho biên độ tín hiệu tại các thời điểm lấy mẫu không thay đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo ( quá trình lượng tử hoá và mã hoá) Quá trình lượng tử hoá

thực chất là quá trình làm tròn số Lượng tử hoá được thực hiện theo nguyên tắc so sánh tín hiệu cần chuyển với các tín hiệu chuẩn Mạch lượng tử hoá làm nhiệm vụ rời rạc tín hiệu tương tự về mặt biên độ Trong mạch mã hoá, kết quả lượng tử hoá

được xắp xếp lai theo một quy luật nhất định phụ thuộc loại mã yêu cầu ở đầu ra

bộ chuyển đổi

Nhiều loại ADC , quá trình lượng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thời, lúc đó không thể tách rời hai quá trình , phép lượng tử hoá và mã hoá được gọi chung là phép biến đổi AD

4.2.2 Các tham số cơ bản của ADC

Các tham số cơ bản của bộ biến đổi ADC gồm dải biến đổi của điện áp tương tự ở đầu vào, độ chính xác của bộ chuyển đổi, tốc độ chuyển đổi

- Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà số từ 0 đến một số dương hoặc số âm nào đó, hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính:

-UA ữ+UA

- Độ chính xác của ADC: Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của ADC là độ phân giải Tín hiệu ở đầu ra của một ADC là các giá trị được sắp xếp theo một quy luật của một loại mã nào đó Số các số hạng của mã số đầu ra ( số bits trong từ mã nhị phân) tương ứng với giải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi

Ví dụ một ADC có số bits ở đầu ra là n = 8 thì sẽ phân biệt được 28 mức trong dải biến

đổi điện áp vào của nó Như vậy trong thực tế dùng số bits để đánh giá độ chính xác của một ADC khi giải biến đổi điện áp vào là không đổi

Liên quan đến độ chính xác của một ADC còn có các tham số khác như: méo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không, sai số lượng tử hoá

- Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, được gọi là tần số chuyển đổi fc Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi Tc để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi Với một ADC thường thì fc < 1/Tc vì giữa các lần chuyển đổi phải có một thời gian cần thiết để ADC phục hồi lại trạng thái ban đầu Một ADC có tốc độ chuyển

đổi cao thì độ chính xác giảm và ngược lại

-

4.2.3 Các phương pháp chuyển đổi tương tự - số

Có nhiều cách phân loại ADC, nhưng hay dùng hơn cả là phân loại theo quá trình chuyển

đổi về mặt thời gian Trong đồ án này chỉ giới thiệu một số phương pháp điển hình

4.2.3.1 Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song

Nguyên tắc hoạt động

Tín hiệu tương tự UA được đồng thời đưa đến các bộ so sánh từ S1 đến Sm Điện áp chuẩn

Uch được đưa đến đầu vào thứ 2 của các bộ so sánh qua thang điện trở R Do đó các điện áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ S1 đến

Sm Đầu ra của các bộ so sánh có điện áp lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở có mức logic "1", các đầu ra còn lại có mức logic "0" Các đầu ra của mạch so sánh được nối với mạch AND, một đầu mạch AND được nối với mạch tạo xung nhịp Chỉ khi có xung nhịp đưa đến đầu vào AND thì các xung trên đầu ra của bộ so sánh mới đưa vào mạch nhớ Flip_Flop (FF) Như vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng chu kỳ xung nhịp lại có một tín hiệu được biến đổi và đưa đến đầu ra Xung nhịp đảm bảo quá trình so sánh kết thúc mới

đưa xung nhịp vào bộ nhớ Bộ mã hoá sẽ biến đổi tín hiệu và dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân

Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh nên được gọi là ADC nhanh nhưng kết cấu của mạch rất phức tạp ví dụ như ADC n bits cần phải dùng -1 bộ so sánh Vì vậy phương pháp này chủ yếu dùng trong các ADC có tốc độ chuyển đổi cao nhưng số bit nhỏ

n

2

Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi A/D theo phương pháp song song

4.2.3.2 Chuyển đổi A/D theo phương pháp bù

Hình 5.3: Mạch nguyên lý A/D theo nguyên tắc bù

Tại thời điểm ban đầu bộ đếm được đặt ở trạng thái không bởi xung Cl, như vậy đầu ra của nó cũng có tín hiệu không Mạch so sánh thiết lập giá trị một tín hiệu nhịp H qua cổng AND được đưa vào mạch đếm Mạch đếm làm việc cho ra tín hiệu số từ Q0…Qm-1 đồng thời

qua bộ biến đổi D/A sẽ có điện áp U0 cho đến khi U0 ≥ UA thì bộ so sánh lật giá trị, đầu ra của nó có giá trị 0 cổng AND sẽ khoá và bộ đếm sẽ dừng Trên đầu ra bộ đếm Q0…Qm-1 ở dạng số tỉ lệ với điện áp vào UA, số này được xếp vào bộ ghi Tiếp theo bộ đếm được xoá và chuẩn bị cho chu kỳ biến đổi tiếp theo Sau mỗi chu kỳ bộ ghi sẽ ghi số liệu mới của bộ

đếm Nếu như bộ đếm nhị phân có m bits thì điện áp vào cực đại UmaxA:

12

UmaxA = m ư

Điện áp UA được lượng tử theo gia số:

12

UN

f.12

N.U

T

Udt

bộ đếm nhị phân ta sử dụng mạch điều khiển chương trình

4.2.3.3 Bộ biến đổi A/D theo nguyên tắc servo

Bộ biến đổi này có ba phần tử cơ bản: mạch so sánh, mạch đếm hai chiều và bộ biến đổi D/A

Hình 5.4: Mạch biến đổi A/D theo nguyên tắc servo

Tín hiệu điện áp vào UA so sánh với điện áp ra D/A Nếu UA > U0 thì bộ biến đếm đếm theo chiều tiến Nếu UA < U0 thì bộ đếm đếm theo chiều lùi cho đến khi UA = U0 thì bộ đếm dừng, tương tự như cơ cấu servo Tuy vậy tốc độ biến đổi điện áp vào UA luôn luôn phải nhỏ hơn tốc độ của bộ đếm và bộ biến đổi D/A Nên thời gian biến đổi phụ thuộc vào tần số xung nhịp fH và phản ứng của bộ so sánh

4.3 Chuyển đổi số tương - tự (DAC –Digital Analog Converter)

4.3.1 Nguyên tắc làm việc của DAC

Chuyển đổi số tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu từ n số hạng (n bits) đã biết của tín hiệu số Bộ chuyển đổi số tương tự (DAC) tiếp nhận một mã số n bits song song ở đầu vào

và biến đổi thành tín hiệu liên tục ở đầu ra

Tín hiệu đầu ra của DAC Um là tín hiệu rời rạc theo thời gian

Hình 5.6: Tín hiệu ra bộ ADC theo thời gian

Tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp Đầu ra của bộ lọc là tín hiệu tương tự UAbiến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của Um Vậy bộ lọc thông thấp đóng vai trò là bộ nội suy

4.3.2 Các đặc tính quan trọng của DAC

- Độ phân giải: liên quan đến số bit của một DAC Nếu số bit là m thì số trạng thái tín hiệu của số nhị phân đưa vào là 2n và tín hiệu ra sẽ có 2n mức khác nhau, do đó độ phân giải là 1/ 2n Độ phân giải càng bé thì tín hiệu đầu ra có dạng liên tục gần với thực tế

- Độ tuyến tính: Trong một DAC lý tưởng sự tăng tín hiệu số ở đầu vào sẽ tỷ lệ với sự tăng tín hiệu số ở đầu ra

- Độ chính xác của một DAC cho biết sự khác biệt giữa trị số thực tế của UA và trị số lý thuyết cho bởi một giá trị bất kỳ của tín hiệu số ở đầu vào Sự sai khác này càng nhỏ thì

độ chính xác càng cao

- Thời gian thiết lập: Khi tín hiệu số ở đầu vào của một DAC thay đổi, tín hiệu ở đầu ra không thể thay đổi ngay lập tức mà phải sau một khoảng thời gian nào đó gọi là thời gian thiết lập Thời gian thiết lập phản ánh tính tác động nhanh của một DAC

4.3.3 Một số mạch DAC điển hình

4.3.3.1 Biến đổi DAC với mạng điện trở trọng lượng

Mạch gồm một nguồn điện áp chuẩn Uch, các bộ chuyển mạch và điện trở có giá trị R, R/2, R/4 và một mạch khuếch đại thuật toán Sơ đồ nguyên lý hình 5.7

Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý biến đổi D/A với mạng điện trở trọng lượng

Khi một khoá điện nào đó được nối với nguồn điện thế chuẩn thì sẽ cung cấp cho bộ khuếch đại thuật toán dòng điện cường độ là:

2.R

U

I = ( i = 0 n-1)

Cường độ dòng điện này độc lập với các khóa còn lại, có thể thấy ngay bằng biên độ điện

áp Ura phụ thuộc vào chỗ khoá nào được nối với Uch tức là phụ thuộc vào giá trị của bit tương ứng trong tín hiệu số đưa vào mạch chuyển đổi

Mạch có ưu điểm là đơn giản, nhưng nhược điểm là độ chính xác và tính ổn định của kết quả phụ thuộc nhiều vào trị số của các điện trở và khả năng biến thiên như nhau theo môi trường của các điện trở này Chế tạo các điện trở theo đúng tỉ lệ chính xác như vậy thường khó khăn và tốn kém Ngoài ra Ura còn phụ thuộc vào cả độ chính xác và tính ổn

định của nguồn điện áp chuẩn

4.3.3.2 Bộ biển đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R

Hình 5.8: Sơ đồ biến đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R

DAC với thang điện trở R - 2R khắc phục được một số nhược điểm của DAC mạng điện trở trọng lượng Mạch chỉ gồm hai loại điện trở R và 2R với nhiều chuyển mạch ( mỗi chuyển mạch cho 1 bit) và một nguồn điện áp chuẩn Uch Đại lượng cần tìm là Ith vào mạch khuếch đại khi có một số chuyển mạch nối với Uch

Từ những kết quả trên ta suy ra rằng khi di chuyển về phía mạch khuếch đại thuật toán

điện thế tại mỗi nút bằng nửa trị số của nút kế cận bên trái nó Như vậy nếu từ nút thứ 2i đến nút 2n-2 có k nút (kể cả nút thứ 2n-2) thì điện thế tại nút 2n-2 do chuyển mạch 2i gây ra là Uch/ 2k và dòng điện tương ứng là Uch/(2k.2R) Tại nút 2n-1 do đặc tính của khuếch đại thuật toán

mà điện thế tại đây được coi là 0V

Tóm lại, một cách tổng quát ta có công thức để tính điện áp ra của một DAC n bit (từ B0

ữ Bn-1) với mạng điện trở R - 2R

0 2

n 2 n i n 1 n n

f ch

R2

RU

Trong đó B0 ữ Bn-1 có giá trị 0 hoặc 1

Các DAC theo phương pháp này phải dùng số điện trở khá lớn, ví dụ như DAC n bit thì phải dùng 2(n-1) điện trở, trong khi theo phương pháp điện trở trọng lượng chỉ phải dùng n

điện trở Nhưng bù lại nó không rắc rối vì chỉ cần dùng có 2 loại điện trở mà thôi Nên độ chính xác và tính ổn định của tín hiệu ra được đảm bảo

4.4 Thiết kế card chuyển đổi AD - DA

4.4.1 Lựa chọn ADC và DAC trong phương án thiết kế

DAC dùng để chuyển đổi tín hiệu số từ máy tính thành tín hiệu tương tự điều khiển động cơ Mạch có vòng phản hồi dùng máy phát tốc (FT) có trục gắn liền với trục động cơ Điện

áp lấy ra từ máy phát tốc qua ADC đưa vào máy tính để tự động ổn định tốc độ của động cơ trong quá trình làm việc

Hình 5.9: Sơ đồ nguyên tắc phối ghép máy tính điều khiển động cơ một chiều

Trong sơ đồ có sử dụng ADC và DAC, vì vậy vấn đề đầu tiên khi thiết kế card chuyển đổi

là lựa chọn ADC và DAC như thế nào để vừa đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật đề ra lại vừa đảm bảo tính khả thi của phương án thiết kế (giá thành của card vừa phải, các linh kiện lắp ráp có sẵn ở thị trường Việt Nam)

Trong thực tế khi thiết kế ta cần phải chú ý đến các tham số cơ bản của các linh kiện Việc thiết kế card chuyển đổi là sử dụng các ADC và DAC đã được chế tạo sẵn cùng với các

IC chức năng khác để lắp ráp thành mạch nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đề ra

Để làm căn cứ cho việc lựa chọn ADC và DAC thì cần phải đặc biệt quan tâm đến độ chính xác của nó Tham số đặc trưng cho độ chính xác của ADC, DAC là độ phân giải có liên quan chặt chẽ đến số bit của nó

Đồ án này là điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng vi xử lý nên ta chọn ADC 0809

và DAC 0808 là các IC chuyển đổi A/D và D/A 8 bits tương thích với các họ vi xử lý thông dụng trên thị trường Để đạt được độ chính xác cao hơn ta phải chọn các ADC, DAC có độ phân giải cao hơn

4.4.2 Bản đồ địa chỉ vào ra trong IBM và PC tương thích

Trước khi một Card mở rộng được cài đặt trong rãnh cắm của một máy tính PC thì địa chỉ cổng vào/ra cần phải được lựa chọn Việc lựa chọn địa chỉ cơ bản này rất quan trọng bởi vì mỗi Card mở rộng được cắm vào bản mạch chính của máy tính đều phải có một địa chỉ vào

ra duy nhất Thông thường bus PC dự tính một vùng 1024 địa chỉ vào ra Việc định từng vùng địa chỉ cho máy tính đã được IBM chuẩn hoá, ứng với mỗi vùng địa chỉ có chức năng riêng mà các thiết bị ngoại vi khác không được xâm phạm đến Vì vậy vùng vào ra của một Card mở rộng không được phép bao trùm lên vùng địa chỉ vào ra của máy tính

Bản đồ địa chỉ sau đây sẽ chỉ ra từng vùng địa chỉ riêng biệt phục vụ cho các mục đích khác nhau

020 – 021 Bộ điều khiển ngắt (8259)

040 – 043 Bộ phát thời gian (8254)

060 – 063 Bộ kiểm tra bàn phím (8242)

070 - 07F Đồng hồ thời gian thực ( MC 146818)

0A0 – 0BF Bộ điều khiển ngắt 2 (8259)

0C0 – 0FF Bộ điều khiển DMA 2 (8237)

0E0 – 0FF Dự trữ cho bản mạch chính

1F0 – 1F8 Bộ điều khiển đĩa cứng

200 - 20F Cổng dùng cho trò chơi (game)

2E8 – 2EF Cổng nối tiếp 4 (com 4)

2E8 – 2FF Cổng nối tiếp 2 (com 2)

300 - 31F Card mở rộng cho người sử dụng

320 - 32F Bộ điều khiển đĩa cứng

3E8 – 3EF Công nối tiếp 3 (com 3)

3F8 – 3FF Cổng nối tiếp 1 (com 1)

Sơ đồ địa chỉ vào/ra sử dụng cho máy tính IBM và tương thích với việc thiết kế Card Với việc thiết kế Card cắm trên Slot của máy tính ta cần quan tâm đến các tín hiệu trên Slot của máy tính

Trong bộ vi xử lý ta cần quan tâm đến 3 phần chính sau đây:

• CPU: là bộ vi xử lý trung tâm, tại đây diễn ra các lệnh điều khiển, xử lý và thu thập các thông tin

• Bộ nhớ thường: Dùng để chứa chương trình và số liệu (code, stack, data) của chương trình hạt nhân và stack Có khả năng liên hệ trực tiếp với CPU thông qua Data bus và Address bus

• Các thiết bị ngoại vi ghép nối với máy tính: Các thiết bị ngoại vi được liên hệ với CPU qua các cổng

Sự phân chia này giúp cho người sử dụng có thể mở rộng khả năng của máy tính trong việc bổ sung hay loại bỏ một số các chức năng tuỳ theo yêu cầu của mình

Sơ đồ chân của Slot 8 bits trên máy tính

Hình 5.10: Sơ đồ Slot máy tính

Sau đây là bảng mô tả chức năng các chân của rãnh cắm ISA ( các chân liên quan đến việc thiết kế Card mở rộng A/D - D/A)

0 – A19 Bus địa chỉ (vào / ra) 20 bits thấp hơn của bus địa chỉ hệ thống

(Address enable - lối

ra)

Chân Address enable cho phép dùng một card

mở rộng để cắm khối logic giải mã địa chỉ I/O cục bộ của nó Nó kích hoạt ở mức cao Khi hoạt động Address enable chỉ cho thấy hoặc quá trình truy nhập trực tiếp bộ nhớ (DMA) hoặc quá trình làm tươi lại đang được điều khiển trên các bus

D0 - D7 Bus dữ liệu 8 bits dữ liệu cho phép truyền giữa bus chủ và

Card mở rộng

IOR Đọc vào/ra (I/O Read) Tín hiệu đọc vào/ra chỉ cho thấy một chu trình

đọc I/O đang đ−ợc tiến hành Khi tích cực tín hiệu này ở mức thấp

IOW Ghi vào/ra(I/O Write) Tín hiệu lệnh ghi vào/ra chỉ cho thấy một chu

trình bus ghi I/O đang đ−ợc tiến hành

Ngoài ra trên Slot của máy tính còn có các tín hiệu khác nh−:

- ± 5V, 12V, GND: nguồn nuôi cung cấp cho Card mở rộng ±

- OSC : tần số máy tính

- IRQ : yêu cầu ngắt

- IQRQ: yêu cầu ngoại vi

- MQQ: yêu cầu bộ nhớ

Trên đây là các tín hiệu Slot của máy tính mà ta cần phải quan tâm do đó khi lắp Card ta cần bố trí và phân vùng địa chỉ cho những mục đích khác nhau Với việc phân vùng nh− vậy, ứng với mỗi vùng có một chức năng riêng mà các thiết bị khác không xâm phạm đ−ợc

4.4.3 Giới thiệu một số linh kiện sử dụng trong Card

4.4.3.1 IC chuyển đổi ADC 0809