thiết bị cảm biến chương 6

tài liệu uy tín được biên soạn bởi giảng viên đại học Bách Khoa TPHCM, thuận lợi cho qua trình tự học, nghiên cứu bộ tự động hóa, điện tử, cơ điện tử, cơ khí chế tạo máy, lập trình nhúng, Tài liệu được kiểm duyệt bởi giảng viên, phòng đào tạo trường đại học bách khoa, lưu hành nội bộ

 BỘ CHỈ THỊ SỐ

Diod phát quang (LED)

LED được phân cực thuận, các hạt tải mang điện tích dương và âm trong chất bán dẫn p và n tái hợp sẽ phát ra năng

lượng dưới dạng quang năng

GaAs (gallium arsenide): màu đỏ hay xanh lá.

GaAsP (gallium arsenide phosphide): màu đỏ hay vàng

GaP(gallium phosphide): màu đỏ hay hồng ngoại.

Máy đo chỉ thị số

Màn hình tinh thể lỏng (LCD)

 LCD là loại chỉ thị thụ động, tiêu thụ năng lượng rất nhỏ và có tỉ số tương phản rất tốt Ngoài ra có những tính chất thông dụng sau đây:

 - Không tự phát sáng và phụ thuộc vào ánh sáng xung quanh và ánh sáng nền.

 - Hoạt động ở dạng trong suốt hoặc phản chiếu:

 Điều này dẫn đến chất lỏng được phân cực và trở nên chắn sáng, do đó chất lỏng trở nên đen sậm hơn so với vùng sáng xung quanh.

 Khi điện trường mất đi, chất lỏng trở về dạng tinh thể cũ và trở nên trong suốt trở lại.

LED 7 đoạn

 Số chỉ thị được xếp thành số 8 có 7 đoạn ở hai dạng, dạng

anod chung và cathod chung

 Nhờ có IC giải mã số 7 đoạn sẽ hiển thị từ số 0→9 phụ thuộc vào loại anod chung hoặc cathod chung của số 7 đoạn Chúng

ta sẽ dùng IC 7447 cho loại anod chung (H.13.4) hoặc dùng IC

7448 cho loại cathod chung (H.13.5)

BỘ BIẾN ĐỔI A/D

áp…) Để xử lý tín hiệu này trong lĩnh vực số (digital),

người ta chuyển những tín hiệu analog sang digital

bằng những bộ biến đổi A/D (analog-digital

converter)

 Ngược lại từ những tín hiệu số, người ta chuyển trở

về tín hiệu analog để sử dụng nếu có yêu cầu (digital

- analog converter) D/A

Đặc điểm của bộ biến đổi A/D

 Trong quá trình lấy mẫu và lượng hóa sẽ có đơn vị lượng hóa

 Tín hiệu analog được chuyển sang số (cơ số 2) phụ thuộc vào số bit của bộ đếm.

 Bộ đếm (cơ số 2) có dung lượng là 2 n.

 Với n số bit, nếu đại lượng analog là điện áp DC có giá trị lớn nhất là (Vi)maxthì đơn vị lượng hóa sẽ là q

 Sai số lớn nhất cho bộ biến đổi A/D là +1/2 LSB (least significient bit) bit

nhỏ nhất.

i n

V

q = ( )max

2

 Khi ứng dụng bộ biến đổi A/D, hai đặc điểm quan

trọng nhất là độ chính xác và tốc độ biến đổi

 Tốc độ biến đổi tỉ lệ nghịch với số bit vì thời gian biến đổi phụ thuộc vào số bit: tc = nTh

trong đó: - tc thời gian biến đổi ; n - số bit

- Th chu kỳ xung clock của bộ biến đổi

 Sự gia tăng mật độ transistor trong IC và tăng tốc độ cho bộ biến đổi A/D, D/A và những ưu điểm của chất gallium arsenide (GaAs) trong IC đưa đến chế tạo bộ

biến đổi 14 bit hoạt động ở tần số 1 GHz , làm tăng sự

ứng dụng của thiết bị “digital” trong lĩnh vực đo lường tự động hóa

Bộ biến đổi A/D loại “Tracking ”

Tín hiệu vào

Vi

Tín hiệu ra digital

Vo

S/s

Bộ biến đổi A/D loại xấp xỉ liên tiếp

(successive approximation converter)

 Bộ biến đổi này hoạt động theo chu trình kín của sự so sánh liên tiếp giống như loại “Tracking”

 Sự so sánh điện áp tín hiệu vào và tín hiệu ra nhỏ hơn hoặc lớn hơn sẽ điều khiển sự chỉ thị tăng hoặc giảm của SAR (thanh ghi xấp xỉ

liên tiếp) và đồng thời điều khiển hoạt động theo điện áp V i

 Phương pháp biến đổi này nhanh hơn

phương pháp

Tracking

 Thời gian biến đổi

được cố định cho bất kỳ tín hiệu vào.

 Ví dụ bộ biến đổi 8 bit có 256 mức trạng thái xảy ra thì chỉ cần có 8 chu kỳ lệnh

(phase 1) để so sánh cho 8 bit

 Bộ biến đổi này không dùng bộ biến đổi D/A như hai bộ biến đổi trên Thay vào đó, bộ biến đổi này dùng mạch tạo hàm RAMP chính xác để tạo điện áp thay đổi tuyến tính theo thời gian đưa vào mạch so sánh

bộ đếm được “reset”

đếm, đồng thời khởi động mạch tạo tín hiệu có dạng

hàm “ramp” bắt đầu hoạt động

R C

Main gate control

t0 t1

t0 t1

C

Main gate control

Ưu điểm của bộ A/D này là

Chu kỳ của xung đồng hồ không ảnh hưởng đến kết quả.

C

Main gate control

1

2 3

6 0

K1 K2 K K

Ta

Tb'

Tb

 Thời gian nạp điện Ta= t1-t0 =2nT

 Thời gian phóng điện Tb= t2-t1 =NT



1 O

1 O 1

V

VX = − REFn

Mono stable 1

2

T3S

t0 t1 t2

T1

T2

3 2 1

1 O

O REF

X

R

V C

1 O 1

X 2

R

VC

1t

tRC

V0

X 1

1

2 REF

X

T RI

V f

T

T RI

2

T3S

 Quá trình biến đổi từ tín hiệu số (digital) sang tín hiệu

tương tự (analog) được gọi là sự biến đổi D/A

 Tín hiệu ra của bộ biến đổi D/A là điện áp hoặc dòng điện

Đặc tuyến biểu thị tín hiệu ra analog theo tín hiệu vào digital

 Cũng giống như bộ biến đổi A/D, bộ

biến đổi D/A cũng có sai số là tổng

sai số do sai số offset, sai số do hệ

số khuếch đại và sai số tuyến tính

được nhà sản xuất xác định

mạch khóa điện tử và mạch phân áp

bằng điện trở Ở ngõ vào của mạch

là mạch cài (latch) để giữ tín hiệu

số cần biến đổi

 Khóa điện tử sẽ nối mạch phân áp

bằng điện trở với điện áp chuẩn

hoặc điện áp “0” (ground) Còn

mạch khuếch đại thuật toán

(op-amp) sẽ là mạch cộng điện áp để

đưa ra tín hiệu analog

Hình 13.20: Sơ đồ khối của mạch biến đổi D/A

Sơ đồ khối của mạch biến đổi D/A

* Trị số lượng hóa nhị phân bằng dòng điện dạng “bậc thang”

(binary - weighted current ladder)

1 2

1 2

analog

Khi khóa K 1 đóng ở vị trí S1 còn

K2 , K3 , K4 nối “mass” ta có

mạch tương đương như hình

Khi khóa K 2 đóng ở vị trí S2 còn

K1 , K3 , K4 nối “mass” ta có

mạch tương đương như hình

3 3

2 2

1 1

0 4

REF

2 V

 Vậy nếu số bit tăng lên ví dụ 8

bit hoặc 10 bit thì độ phân giải

của bộ biến đổi D/A sẽ giảm

nhỏ xuống

bit sẽ cho 256 mức điện áp khác

nhau với độ phân giải là 10/256

(V)

 Sai số của bộ biến đổi D/A phụ

thuộc vào sự ổn định của điện

áp chuẩn VREF

 Sai số phi tuyến của bộ biến đổi

do độ chính xác của trị số điện

trở cũng như sự hoạt động của

khóa điện tử không hoàn chỉnh

kết hợp với sự phi tuyến của

mạch khuếch đại

Sự phi tuyến của bộ biến đổi D/A

DMM chỉ khác EMM là phần biến đổi A/D để kết quả đo được hiển

thị bằng số (digit display) hoặc có thêm phần D/A để kết hợp với

thiết bị ghi trị số đo dạng analog hoặc thiết bị điều khiển dạng

analog cho đối tượng đo hoặc giúp phần tự động chuyển tầm đo

(autoranging).

 Đối với thiết bị đo chu kỳ và tần số tín hiệu chỉ thị số, người ta

dùng phương pháp "đếm tần số" (frequency counter) trong trường hợp tín hiệu có tần số từ vài chục Hz trở lên

 Còn những tín hiệu có tần số thấp (nhỏ hơn 10Hz) thì đo chu kỳ cũng bằng phương pháp "đếm" số xung "đồng hồ" (clock).

Phương pháp cơ bản "đếm tần số"

 Khi tần số tín hiệu đo càng lớn thì thời gian mở cổng càng nhỏ để cho số xung đếm đi vào bộ đếm không vượt quá dung lượng của mạch đếm.

 Ví dụ: Mạch đếm có n=10 bit, dung lượng bộ đếm 2n = 2 10 = 1024 Tín hiệu có tần số

fx=10KHz thì khi qua mạch kích Schmitt FF sẽ cho 10.000 xung đếm trong 1 sec (giây)

Như vậy nếu cho mở cổng logic trong thời gian 1s thì số xung đếm đi vào sẽ vượt quá

dung lượng bộ đếm Cho nên ta phải chuyển tầm đo bằng cách thay đổi thời gian mở cổng

100ms hoặc 10ms hoặc 1ms để phù hợp dung lượng của bộ đếm.

Mạch chi tiết dùng IC cho bộ đếm tần số

Đối với tần số tín hiệu từ vài chục Hertz trở xuống, tần số nhỏ hơn

1Hz, người ta dùng phương pháp đo chu kỳ của tín hiệu bằng cách đo

thời gian mở cổng và đóng cổng logic chính là chu kỳ của tín hiệu

pháp đếm số xung