Nghiên cứu thiết kế xây dựng thiết bị đo nồng độ chì trong môi trường sử dụng công nghệ FPAA

Mỗi CAB có thể thực hiện các chức năng xử lý tín hiệu tương tự như là khuếch đại, tích phân, vi phân, chỉnh lưu, so sánh, lọc bậc hai,..., và bằng cách liên kết các CAB với nhau ta có th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Danh sách các hình vẽ

Hình 1.1 : Loại cuvet thường được dùng trong máy đo quang

Hình 1.2 : Phổ hấp thụ ánh sáng

Hình 1.3 : Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo quang

Hình 1.4 : Điện cực chuẩn Calomel (Hg 2 Cl 2 )

Hình 1.5 : Điện cực chuẩn Clorua bạc (AgCl)

Hình 1.6 : Điện cực đo và điện cực chuẩn được ghép với nhau trong điện cực đo

Hình 3.1 : Chuẩn hóa tín hiệu sensor bằng vi mạch FPAA

Hình 3.2 : Sensor đo di chuyển kiểu biến áp vi sai

Hình 3.3 : Mạch chuẩn hóa tín hiệu từ cầu đo dùng tensor

Hình 3.4 : Sensor đo di chuyển kiểu biến áp vi sai

Hình 3.5 : Mạch đo cho sensor kiểu biến áp vi sai

Hình 3.6 : Chia khoảng tín hiệu của sensor để xử lý

Hình 3.7 : Sơ đồ khối các thành phần của hệ thống để xử lý tín hiệu

Hình 3.8 : Giải thuật xử lý để làm tăng độ phân giải cho ADC

Hình 3.9 : Quá trình xử lý tín hiệu ra của sensor : chia thành 4 khoảng để tăng độ phân giải của ADC thêm 2 bit

Hình 3.10 : Mô hình một bộ điều khiển PID

Hình 3.11 : Một bộ điều khiển PID được thực hiện bằng FPAA

Hình 3.12 : Bộ điều khiển mức chất lỏng

Hình 3.13 : Bộ điều khiển PI bằng vi mạch FPAA

Hình 4.1 : Sơ đồ khối của thiết bị

Hình 4.2 : Giao diện lập trình giữa vi điều khiển ATmega32 và AN220E04

Hình 4.3 : Kết nối giữa vi điều khiển ATmega32 và LCD

Hình 4.4 : Sơ đồ bàn phím

Hình 4.5 : Sơ đồ nguyên lý mạch bàn phím

Hình 4.6: Sơ đồ khối của DS1307

Hình 4.7: Thanh ghi thời gian của DS1307

Hình 4.8 : DS1307 được kết nối với vi điều khiển theo bus I2C

Hình 4.9 : Sử dụng vi mạch chuyển đổi FT232

Hình 4.10 : Cấu hình xác định khoảng của tín hiệu đầu vào

Hình 4.11: Quá trình xử lý đối với khoảng 1

Hình 4.12 : Quá trình xử lý đối với khoảng 2

Hình 4.13 : Quá trình xử lý đối với khoảng 3

Hình 4.14: Quá trình xử lý đối với khoảng 4

Hình 4.15 : Quá trình xử lý PT100

Hình 4.16 : Quá trình xử lý tín hiệu trong vi mạch FPAA

Hình 4.17 : Bảng Look-up Table dùng để tuyến tính hoá tín hiệu

Hình 4.18 : Lưu đồ thuật toán của chương trình chính

Hình 4.19 : Giao diện chính của chương trình

Hình 4.20 : Dữ liệu thu thập được từ thiết bị

Mục lục CHƯƠNG I: TÁC HẠI CỦA CHÌ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

ĐO NỒNG ĐỘ CHÌ 1

I.1.Tổng quan về chì (Pb) 1

I.1.1.Tác hại của chì……… 1

I.1.2.Các nguồn gốc phát sinh chì trong cuộc sống……….2

I.2.Một số phương pháp đo nồng độ chì………3

I.2.1.Phương pháp trắc quang……… 3

I.2.1.1.Định luật Lambe-Beer………3

I.2.1.2.Phổ hấp thụ……… 4

I.2.1.3.Tính chất của mật độ quang……… 4

I.2.1.4.Sơ đồ thiết bị đo quang……… 5

I.2.2.Phương pháp dùng điện cực màng chọn lọc ion………6

I.2.2.1.Lý thuyết chung……… 6

I.2.2.2.Điện cực chuẩn………7

I.2.2.3.Điện cực đo……… 8

I.2.2.4.Đo nồng độ Pb2+ bằng phương pháp điện cực màng lựa chọn ion……9

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FPAA……… 11

II.1.Quá trình phát triển của công nghệ FPAA……….11

II.2.Các thế hệ vi mạch FPAA……… 14

II.2.1.FPAA thế hệ thứ nhất- AN10E04……… 14

II.2.2.FPAA thế hệ thứ hai……….16

II.2.2.1.AN120E04 và AN220E04……… 17

II.2.2.2.AN121E04 và AN221E04……… 20

II.3 Giới thiệu phần mềm thiết kế AnadigmDesigner ®2……… 21

CHƯƠNG III: CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPAA…… 23

III.1.Chuẩn hóa tín hiệu sensor……….24

III.2.Mạch đo dùng tensor……… 27

III.3.Mạch đo dùng tensor kiểu biến áp vi sai……… 28

III.4.Tăng độ phân giải cho ADC……… 30

III.5.Công nghệ FPAA ứng dụng trong các thiết bị điều khiển……… 36

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ CHÌ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ FPAA……… 41

IV.1 Đặt vấn đề……….41

IV.2 Các bước thiết kế thiết bị đo nồng độ chì………42

IV.3 Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị……… 42

IV.4 Thiết kế thiết bị đo nồng độ chì……… 43

IV.4.1 Sơ đồ khối……… 43

IV.4.2 Thiết kế phần cứng thiết bị……… 43

IV.4.2.1 Giao diện cấu hình giữa vi điều khiển với vi mạch AN220E04….44 IV.4.2.2 Màn hình LCD……… 45

IV.4.2.3 Bàn phím………47

IV.4.2.4 Đồng hồ thời gian thực RTC……… 49

IV.4.2.5 Truyền thông với máy tính……….51

IV.4.3 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị………53

IV.4.4 Thiết kế phần mềm………54

IV.4.4.1 Nguyên lý hoạt động chung của thiết bị……… 54

IV.4.4.2 Thiết kế các khối chức năng trong AN220E04……… 54

IV.4.4.3 Lưu đồ thuật toán của vi điều khiển……… 63

IV.4.5 Chương trình thu thập dữ liệu trên máy tính………64

IV.5 Kết quả của quá trình thiết kế……… 65

IV.5.1 Mạch phần cứng……….65

IV.5.2 Phần mềm thu thập dữ liệu……… 66

IV.6 Đánh giá và hướng phát triển của đề tài……… 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 67

CHƯƠNG I :

TÁC HẠI CỦA CHÌ

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NỒNG ĐỘ CHÌ

I.1 TỔNG QUAN VỀ CHÌ (Pb)

I.1.1 Tác hại của chì

Chì (Pb) là một kim loại nặng màu xám xanh có nhiều trong vỏ trái đất Khi gặp không khí và nước, một lớp hợp kim được tạo ra, bao che chì khỏi bị gỉ sét, ăn mòn Chì (Pb) hiện diện tự nhiên trong môi trường và nhất là qua sự sử dụng chì trong kỹ nghệ Trong sản xuất công nghiệp thì chì có vai trò quan trọng Tuy nhiên đây là nguyên tố kim loại có tính độc hại cao đối với cơ thể người và sinh vật Việc nhiễm độc chì có thể là cấp tính hoặc tích lũy nhiều năm qua chuỗi thức ăn của hệ sinh thái Không khí, nước và thực phẩm bị ô nhiễm chì đều rất nguy hiểm cho mọi người, nhất là trẻ em đang phát triển và động vật Chì làm sự phát triển của bộ não trẻ em bị ảnh hưởng, chì ức chế mọi hoạt động của các enzym, không chỉ ở não mà còn ở các bộ phận tạo máu, nó là tác nhân phá huỷ hồng cầu

Khi hàm lượng chì trong máu khoảng 0,3 ppm thì nó ngăn cản quá trình sử dụng oxi để oxi hoá glucoza tạo ra năng lượng cho quá trình sống, do đó làm cho cơ thể mệt mỏi Ở nồng độ cao hơn (>0,8 ppm) có thể gây nên thiếu máu do thiếu hemoglobin Hàm lượng chì trong máu nằm trong khoảng (0,5 – 0,8 ppm) gây ra sự rối loạn chức năng của thận và phá huỷ não Xương là nơi tàng trữ tích tụ chì trong

cơ thể, ở đó chì tương tác với photphat trong xương rồi truyền vào các mô mềm của

cơ thể và thể hiện độc tính của nó Vì thế tốt nhất là tránh những nơi có chì ở bất kỳ dạng nào, đồng thời trong dinh dưỡng chú ý dùng các loại thực phẩm có hàm lượng

Pb dưới quy định cho phép, cũng như có đủ Ca và Mg để hạn chế tác động của Pb

Vì dù chúng ta không muốn thì cũng luôn có một lượng Pb rất nhỏ nhất định vẫn thâm nhập vào cơ thể của chúng ta qua đường ăn uống và hít thở Vì thế nên uống

sữa, ăn nhiều rau xanh, các loại thực phẩm và đồ uống giàu vitamin B1 và vitamin

C thì có lợi cho việc chống lại và hạn chế ảnh hưởng của Pb đối với cơ thể

Dấu hiệu của ngộ độc chì thường thường xuất hiện rất âm thầm, khó mà sớm phát giác Chỉ khi nào chì tích tụ tới mức độ cao, bệnh mới rõ rệt nhưng các triệu chứng cũng không có gì đặc biệt

Ở trẻ em, nhiễm độc cấp tính khiến cho các em trở nên cáu kỉnh, kém tập trung,

ói mửa, dáng đi không vững, lên cơn kinh phong Trường hợp mãn tính, các em có dấu hiệu chậm trí, hay gây gổ, lên kinh thường xuyên, đau bụng, thiếu máu, suy nhược cơ bắp, suy thận, đôi khi có thể đưa tới tử vong Thường thường, trẻ em bị tác hại của chì trầm trọng hơn ở người trưởng thành, đặc biệt là dưới 6 tuổi vì hệ thần kinh còn non yếu và khả năng thải độc chất của cơ thể chưa hoàn chỉnh Một

số em có thể bị nhiễm ngay từ khi còn ở trong lòng mẹ hoặc bú sữa mẹ có hàm lượng chì cao Tới khi lớn, các em tiêu thụ thực phẩm có chì, nuốt chì lẫn trong đất, bụi khi bò chơi trên mặt đất hoặc ăn các mảnh vụn sơn tường nhà cũ

Khi ngộ độc chì, người lớn hay than phiền đau tê ở đầu ngón chân, tay; bắp thịt mỏi yếu; nhức đầu, đau bụng, tăng huyết áp, thiếu máu, giảm trí nhớ, thay đổi tâm trạng, xảy thai, kém sản xuất tinh trùng…Lâu ngày, bệnh trở thành mãn tính, đưa tới suy thận, tổn thương thần kinh ngoại vi, giảm chức năng não bộ

I.1.2 Các nguồn gốc phát sinh chì trong cuộc sống

- Sơn nhà

- Đất chung quanh nhà nhiễm chì từ các lớp sơn cũ

- Bụi bậm trong nhà có chì từ sơn tường cũ hoặc đất theo giầy dép mang vào nhà

- Đồ chơi trẻ em, xích đu hoặc bàn ghế cũ quét với sơn có nhiều chì

- Thực phẩm nước uống đựng trong bát đĩa, bình chứa phủ men bóng

- Rau, trái cây đôi khi có bụi chì bám vào, nên cần được rửa sạch trước khi ăn

- Rượu whisky sản xuất lậu với máy chưng cất hàn bằng chì cũng có thể có chì

- Thuốc lá nhả ra một lượng chì đáng kể

- Hộp kim loại hàn bằng chì để đựng thực phẩm

- Trong một vài mỹ phẩm hoặc thuốc nhuộm tóc, keo xịt tóc có hàm lượng chì khá cao

- …

I.2.MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐO NỒNG ĐỘ CHÌ

I.2.1 Phương pháp trắc quang

Phương pháp phân tích đo quang là phương pháp phân tích công cụ dựa trên việc

đo những tín hiệu bức xạ điện từ và tương tác của bức xạ điện từ với chất nghiên cứu Phương pháp có ưu điểm là tiến hành nhanh, thuận lợi, có độ nhạy cao, độ chính xác được tới 10-6 mol/l Tuỳ thuộc vào hàm lượng chất cần xác định mà có độ chính xác từ 0,2 tới 20%

I.2.1.1 Định luật Lambe-Beer

Khi chiếu một chùm bức xạ đơn sắc (cường độ bức xạ ban đầu là I0) đi qua một lớp dung dịch có bề dày l và có nồng độ là C, thì sau khi đi qua dung dịch cường độ bức xạ bị giảm đi (cường độ của bức xạ đi ra khỏi dung dịch là I) do quá trình hấp thụ, phản xạ, tán xạ Độ hấp thụ quang của dung dịch tỷ lệ thuận với C và l

Aλ = lgI0

I =ε.l.C

% truyền qua : T =

0.100(%)

Hình 1.1: Loại cuvet thường được dùng trong máy đo quang

I.2.1.2 Phổ hấp thụ

Dung dịch hấp thụ ánh sáng có tính chất chọn lọc Đồ thị biểu diễn A = f(λ) (hoặc ε = f(λ) hoặc lgε = f(λ)) gọi là phổ hấp thụ ánh sáng của dung dịch Trên phổ hấp thụ có thể có một hoặc nhiều cực đại, thường thì chất màu có một cực đại Tại

λmax ta có Amax (hoặc εmax)

Hình 1.2: Phổ hấp thụ ánh sáng

I.2.1.3.Tính chất của mật độ quang

Chiếu chùm ánh sáng qua liên tiếp 2 dung dịch :

Tổng độ hấp thụ quang của 2 dung dịch :

Gọi độ hấp thụ quang của dung dịch 1 là A1, dung dịch 2 là A2 :

Nếu 1 dung dịch có nhiều chất cùng hấp thụ ánh sáng thì

Vì vậy muốn đo Achất phân tích ta phải tìm cách loại bỏ ảnh hưởng của tạp chất bằng cách chuẩn bị 1 mẫu trắng (dung dịch trống)

I.2.1.4 Sơ đồ thiết bị đo quang :

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo quang

- Nguồn sáng : cung cấp bức xạ ánh sáng vùng trông thấy thì dùng đèn sợi

đốt vonfram; vùng tử ngoại : dùng đèn hydro, deteri, thuỷ ngân…

- Hệ tán sắc : hệ tán sắc có nhiệm vụ biến chùm tia đa sắc thành chùm tia

đơn sắc (cung cấp bức xạ đơn sắc) Với các máy thế hệ cũ sử dụng từ 10 tới 12 kính lọc ánh sáng cho dải phổ hẹp chứ không cho hệ đơn sắc Các máy hiện đại hơn thì

sử dụng lăng kính để cho ánh sáng đơn sắc Các máy UV-Vis thế hệ mới sử dụng cách tử (1200−1800 vạch/mm có khi tới 2400 vạch/mm) có độ phân giải cao từ 1 tới 0,2nm

- Mẫu phân tích : chất phân tích có thể cho tác dụng với một thuốc thử trong

môi trường thích hợp nhằm tạo phức chất có độ nhạy đảm bảo tính định lượng của phương pháp Nếu chất phân tích là chất khí thì phải chứa mẫu vào cuvet đóng kín Cuvet dùng cho phổ UV phải là cuvet thạch anh Cuvet dùng cho phổ Vis có thể là cuvet nhựa hoặc cuvet thuỷ tinh

- Detector : trong các máy đơn giản dùng tế bào quang điện để chuyển tín

hiệu quang thành tín hiệu điện rồi cho qua bộ khuếch đại hiển thị kết quả đo Trong các máy thế hệ mới có độ nhạy cao thường dùng detector dạng ống nhân quang hoặc loại chuỗi diot (DAD) Detector chuỗi diot thích hợp cho việc đo đồng thời nhiều cấu tử với nhiều bước sóng khác nhau, thiết bị khá bền

I.2.2 Phương pháp dùng điện cực màng chọn lọc ion :

I.2.2.1 Lý thuyết chung

Khi nhúng điện cực kim loại vào dung dịch muối của nó, sẽ xảy ra sự phân bố lại các điện tích, xảy ra hai trường hợp :

- Các ion dương của kim loại đi vào dung dịch :

Trong trường hợp này điện cực kim loại sẽ thiếu electron, do đó điện cực sẽ mang điện tích dương, còn dung dịch sẽ mang điện tích âm

Như vậy khi nhúng một điện cực kim loại vào dung dịch muối của nó, một điện thế ở ranh giới giữa kim loại và dung dịch được hình thành Trị số của điện thế này tùy vào bản chất kim loại của điện cực, nồng độ của dung dịch muối, nhiệt độ và vài yếu tố khác Trị số này được xác định bằng phương trình Nernst :

Điện thế chỉ đo được khi hai điện cực này được nối với mạch đo và cả hai điện cực được nhúng chìm vào dung dịch để dòng điện được khép kín Nếu điện cực chuẩn hoàn toàn khô, mạch điện bị hở, phép đo không thể thực hiện được

I.2.2.2 Điện cực chuẩn

Một cách lý tưởng, điện cực chuẩn không gây ra bất cứ sự thay đổi nào về hóa học cho dung dịch cần đo Nó duy trì một điện thế cố định, không bị ảnh hưởng bởi dung dịch cần đo Trong thực tế hai loại điện cực chuẩn thường dùng nhất là điện cực chuẩn calomel (Hg2Cl2) và điện cực clorua bạc (AgCl)

Hình 1.4: Điện cực chuẩn Calomel (Hg 2 Cl 2 )

Hình 1.5: Điện cực chuẩn Clorua bạc (AgCl)

I.2.2.3 Điện cực đo

Chúng ta biết rằng để thực hiện phép đo điện thế, ngoài điện cực chuẩn ra ta cần phải có điện cực đo, thường được gọi là điện cực lựa chọn ion (ISE – Ion Selective Electrodes) hay điện cực chỉ thị (Indicator Electrodes) Ngoài thông số về độ nhạy

ra, đối với các điện cực lựa chọn ion còn có một thông số quan trọng khác đó là ion

mà điện cực lựa chọn (lựa chọn ion H+, Cu2+, Pb2+, Cd2+, Hg2+, S2-,…) Đối với tất

cả các loại ISE ta đều sử dụng được phương trình Nernst để tính toán

Thường cả hai điện cực này được ghép chung với nhau thành một điện cực tổng hợp để thao tác cho đơn giản

Hình 1.6: Điện cực đo và điện cực chuẩn được ghép với nhau

trong điện cực đo PH

I.2.2.4 Đo nồng độ Pb 2+ bằng phương pháp điện cực màng lựa chọn ion

Nguyên tắc: Người ta chế tạo điện cực màng ion chỉ có tác dụng với chì để tạo

ra thế so với điện cực chuẩn và sau đó đo hiệu điện áp trên 2 điện cực và áp dụng định lý Nernst để suy ra nồng độ chì cần đo

Cách thực hiện :

Lấy dung dịch mẫu cần đo cho vào bình đựng sau đó cắm 2 điện cực vào bình Dùng vôn kế đo hiệu điện thế trên 2 điện cực rồi tính ra nồng độ chì theo công thức :

nF

Hình 1.7: Minh hoạ phương pháp sử dụng điện cực màng chọn lọc

CHƯƠNG II :

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FPAA

FPAA ( Field Programmable Analog Array ) là một vi mạch tích hợp có thể lập

trình được để thực hiện nhiều chức năng tương tự khác nhau Một thành phần rất quan trọng trong vi mạch FPAA là Configurable Analogue Blocks (CAB) Mỗi CAB có thể thực hiện các chức năng xử lý tín hiệu tương tự như là khuếch đại, tích phân, vi phân, chỉnh lưu, so sánh, lọc bậc hai, , và bằng cách liên kết các CAB với nhau ta có thể có được các khối chức năng phức tạp hơn như các bộ lọc bậc cao, các

bộ dao động, các bộ điều chế độ rộng xung,…

Bao quanh ma trận CAB là các phần tử vào/ra analog và một mạng lưới các đường liên kết khả trình ( tức là có thể thay đổi cấu trúc kết nối ) Ngoài ra mỗi chip FPAA còn có mạch tạo điện áp tham chiếu có thể lập trình được, nguồn tạo tín hiệu clock có thể được dùng cho mọi phần tử CAB bất kỳ Trạng thái cấu hình của vi mạch FPAA được lập trình và lưu giữ tại một bộ nhớ SRAM on-chip, gọi là bộ nhớ cấu hình Bộ nhớ cấu hình SRAM này được nạp nội dung khi cấp nguồn từ một bộ nhớ PROM nối tiếp ở bên ngoài hoặc có thể từ một hệ vi xử lý kết nối với chip FPAA Một khi bộ nhớ cấu hình SRAM đã được nạp nội dung mới thì mọi hoạt động tiếp theo của FPAA đều tuân theo sự quy định của nội dung này

Ngoài ra tuỳ vào thế hệ của vi mạch FPAA mà mỗi thế hệ có các đặc điểm riêng, các thế hệ mới ngày càng có các tính năng mới và càng trở nên mạnh hơn trong các công việc

II.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ FPAA

Trên thực tế mạch điện tử tương tự là một hỗn hợp các phần tử cả thụ động lẫn tích cực Các phần tử đó được sắp xếp lại với nhau sao cho có thể thực hiện được các chức năng mà người thiết kế đặt ra Thông thường quá trình thiết kế một mạch điện tử là rất phức tạp trải qua nhiều bước Chính điều này đã gây rất nhiều khó khăn cho những người thiết kế mạch điện tử

Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin cùng với những đòi hỏi của thực tế đã làm xuất hiện nhiều phần mềm thiết kế mạch điện tử trợ giúp rất nhiều cho những người thiết kế mạch điện tử Trong lĩnh vực điện tử số, cùng với các phần mềm trợ giúp, người thiết kế mạch điện tử số bây giờ chỉ cần mô tả chức năng của các mạch điện tử số thông qua một ngôn ngữ lập trình bậc cao (ví dụ VHDL), sau đó dùng phần mềm trợ giúp thiết kế biên dịch bản mô tả

đó sang dạng chuỗi bit để nạp vào cho các chip vi mạch logic khả trình : PLD, CPLD hoặc PFGA Bằng cách đó người thiết kế đã lập trình biến một chip “trắng” thành một thiết kế điện tử có chức năng tương đương với cả một bảng mạch phức tạp Người thiết kế cũng có thể kiểm tra hoạt động của mạch bằng cách chạy mô phỏng trên máy tính

Trong lĩnh vực thiết kế điện tử tương tự, người ta cũng đã tạo ra một dòng sản

phẩm đặc biệt gọi là FPAA (Field Programmable Analog Array), tức là mạng lưới

các khối mạch điện tử tương tự có thể lập trình được Thế hệ đầu tiên của dòng sản phẩm FPAA được công ty Anadigm® tung vào tháng 9 năm 2000, đó là các vi mạch AN10E04 Sau đó Anadigm® tiếp tục giới thiệu hệ phát triển dùng cho FPAA Đó là bảng vi mạch có tên là AN10DS40, cùng với phần mềm trợ giúp thiết

kế AnadigmDesigm® nhằm giúp các nhà thiết kế kiểm tra và phát triển hoạt của các hệ thống ứng dụng FPAA Năm 2002, dòng sản phẩm FPAA thế hệ thứ hai được tung ra thị trường với chủng loại phong phú hơn nhiều Đó là các vi mạch đang được sử dụng phổ biến hiện nay như : AN120E04, AN121E04, AN220E04, AN221E04 và AN221E02 Cùng với các vi mạch FPAA thế hệ thứ hai , Anadigm® tiếp tục đưa ra thị trường công cụ phát triển thế hệ thứ hai gọi là AnadigmVortex Công cụ phát triển FPAA thế hệ thứ hai : AnadigmVortex, tích hợp 4 bộ phận cơ bản :

- AnadigmDesigner®2 : Phần mềm trợ giúp thiết kế cho phép người thiết kế triển khai, thực hiện thiết kế và thay đổi cấu hình cho các mạch điện tử tương

tự chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn

- Thư viện CAM : ( Configurable Analog Module ) chứa các khối chức năng Analog, người dùng có thể sử dụng các khối chức năng để tạo nên hệ thống mạch analog hoàn chỉnh

- Hệ phát triển : là bảng mạch giúp người thết kế tạo ra các mẫu thử và kiểm tra hoạt động của mạch trước khi triển khai thực hiện nó

- Các vi mạch FPAA

Với AnadigmVortex, công việc thiết kế chế tạo thiết bị điện tử tương tự trở nên đơn giản hơn nhiều Người thiết kế bây giờ chỉ cần thực hiện các công việc sau :

1 Lựa chọn chủng loại chip FPAA dựa trên tính chất của ứng dụng

+AN120E04 và AN121E04 là những vi mạch FPAA bình thường, giá rẻ phù hợp với những ứng dụng thông thường

+AN220E04 và AN221E04 là những vi mạch đã được cải tiến cho phép người dùng có thể thay đổi cấu hình của thiết bị ngay cả khi nó đang vận hành, đặc biệt AN221E02 là loại chip vừa có thể thay đổi cấu hình động, lại vừa có giá rẻ Những vi mạch này phù hợp với những ứng dụng phức tạp hơn, điều kiện môi trường khắc nghiệt hơn

2 Sử dụng công cụ AnadigmDesigner®2 để thiết kế mạch analog trên máy tính Kết hợp với thư viện CAM, người thiết kế có thể tạo ra hệ thống mạch điện tử tương tự hoàn chỉnh một cách nhanh chóng Trong phần mềm thiết

kế này còn có khâu tạo máy phát tín hiệu, có các đầu đo oscilloscope giúp người thiết kế mô phỏng và kiểm tra hoạt động của mạch trước khi triển khai thực hiện nó

3 Nạp cấu hình thiết kế vào chip FPAA thông qua hệ phát triển Hệ phát triển FPAA là một bảng mạch trên đó có các slot để cắm chíp FPAA cần lập cấu hình Bảng mạch này được nối với máy tính để giúp người thiết kế tạo ra các

mạch thử cho các thiết kế điện tử tương tự Bảng mạch còn có thêm các khối chức năng mở rộng và các cổng nối I/O cho phép kết nối chip FPAA với các phần tử khác để tạo nên một hệ thống mạch thử hoàn chỉnh

Có thể nói rằng công nghệ FPAA của Anadigm® đã mở ra một hướng hoàn toàn mới trong việc thiết kế các hệ thống mạch điện tử tương tự : tích hợp các hệ thống thu thập và xử lý tín hiệu analog hoàn chỉnh trong một chip IC duy nhất Người kỹ

sư thiết kế có thể tích hợp nhiều chức năng của hệ thống trên cùng một chip, đồng thời có thể lập trình thay đổi cấu hình của thiết bị ngay tại hiện trường, trong khi nó đang hoạt động Các sản phẩm FPAA cũng có thể được sử dụng lại nhiều lần cho nhiều ứng dụng khác nhau nhờ có khả năng thay đổi được cấu hình của chúng Do

đó sử dụng công nghệ FPAA trong việc thiết kế, chế tạo các mạch điện tử mang lại rất nhiều lợi ích Đây là công nghệ mới mà khả năng ứng dụng của nó rất lớn, đặc biệt là với các bài toán yêu cầu đáp ứng về tốc độ xử lý Mặt khác do có khả năng tái lập trình nên có tính linh hoạt cao, đáp ứng được nhiều bài toán khác nhau

II.2 CÁC THẾ HỆ VI MẠCH FPAA

II.2.1 FPAA thế hệ thứ nhất- AN10E04

Các chip FPAA thế hệ đầu tiên được hãng Anadigm® chế tạo và tung ra thị trường vào 9-2000, được gọi là AN10E04 Về mặt cấu trúc, mỗi chip AN10E04 chứa một ma trận 4×5 gồm 20 khối analog có thể thay đổi được cấu hình gọi là CAB ( Configurable Analog Block) Chip AN10E04 được đóng vỏ kiểu QFP (Quad Flat Pack), có 80 chân, kích thước 14x14mm, làm việc với nguồn cung cấp DC 5V

Hình vẽ dưới đây biểu diễn cấu trúc tổng thể của AN10E04 dưới dạng sơ đồ

khối :

Bao bọc quanh ma trận CAB này là 13 phần tử vào/ra analog và một mạng lưới các đường liên kết khả trình Mỗi chip AN10E04 còn có một bộ tạo nguồn điện áp chuẩn (reference) khả trình 8-bit, người thiết kế có thể lập trình để thay đổi mức điện áp ra của nguồn reference này Ngoài ra, AN10E04 còn có bộ tạo tín hiệu clock, lấy từ một máy phát chủ có tần số cực đại cỡ 20MHz Tần số của tín hiệu clock dùng cho mạch được lập trình bằng cách thay đổi hệ số chia tần của một bộ chia on-chip Cả nguồn điện áp reference và nguồn tín hiệu clock đều có thể được dùng cho mọi phần tử CAB bất kỳ trong mạng lưới của AN10E04

Trạng thái cấu hình của chip AN10E04 được lập trình và lưu giữ tại một bộ nhớ SRAM on-chip, gọi là bộ nhớ cấu hình Bộ nhớ cấu hình SRAM này được nạp nội dung khi cấp nguồn từ một bộ nhớ PROM nối tiếp ở bên ngoài, hoặc có thể từ cổng

Hình 2.1 : Cấu trúc vi mạch AN10E04

giao diện của một hệ vi xử lý kết nối với chip AN10E04 Nội dung của bộ nhớ cấu hình được tạo ra trong quá trình thiết kế mạch nhờ phần mềm thiết kế AnadigmDesigner® Khi hoạt động, mạch logic tạo cấu hình và thanh ghi dịch trong chip sẽ quy định chức năng cho các CAB theo nội dung của bộ nhớ

Các khối chức năng xử lý tín hiệu thông thường như khuếch đại, chỉnh lưu, tích phân, so sánh, lọc bậc hai… đều có thể được thực hiện bằng cách dùng chỉ một phần tử CAB Các khối chức năng phức tạp hơn, ví dụ như bộ lọc bậc cao, các bộ dao động, các bộ điều chế độ rộng xung,… có thể được thực hiện bằng cách dùng hai hay nhiều phần tử CAB

Ta có thể tóm tắt các đặc điểm chính của vi mạch AN10E04 như sau :

- Gồm một ma trận gồm 20 CAB

- 13 khối vào/ra analog

- Bộ tạo điện áp chuẩn 8-bit có thể lập trình được

- Bộ tạo clock có thể lập trình

- Có thể nạp cấu hình bằng bộ nhớ PROM nối tiếp hoặc bằng hệ vi xử lý

Nói chung các vi mạch AN10E04 là các vi mạch FPAA giá rẻ, phù hợp với các ứng dụng nhỏ thông thường Từ cuối năm 2002, Anadigm® đã thay thế các vi mạch AN10E04 bằng các nhóm vi mạch thứ hai có nhiều tính năng phong phú hơn

II.2.2 FPAA thế hệ thứ hai

Các vi mạch FPAA thế hệ thứ hai của Anadigm bắt đầu được tung ra thị trường

từ tháng 8 năm 2002 Hiện nay các nhóm vi mạch FPAA được sử dụng phổ biến là : AN120E04, AN121E04, AN220E04, AN221E04 và AN221E02

Trong số đó, các nhóm AN120E04, AN121E04 được sản xuất với số lượng rất lớn, có giá thành rẻ phù hợp với các ứng dụng đại trà, yêu cầu tích hợp nhiều chức năng analog trên một chip AN220E04 và AN221E04 là những vi mạch đã được cải tiến cho phép cho phép người thiết kế có thể thay đổi cấu hình động, tức là có thể thay đổi chức năng của thiết bị ngay cả khi nó đang vận hành Còn AN221E02 là nhóm vi mạch FPAA có thể thay đổi cấu hình động, lại vừa có giá rẻ Đặc điểm

chung của các vi mạch FPAA thế hệ thứ hai là tất cả chúng đều được đóng vỏ kiểu QFP-44 chân và được nuôi bằng nguồn điện áp DC 5V

Về bản chất, các vi mạch FPAA thế hệ thứ hai này cũng gồm các phần tử cơ bản

là CAB Mỗi CAB đều chứa các phần tử op-amp làm việc với các tín hiệu vào/ra analog có dạng vi sai, nhưng khi cần thiết cũng có thể chuyển thành dạng tín hiệu đơn so đất (single-ended) Giải thông tín hiệu của các FPAA là từ DC tới 2MHz Các vi mạch FPAA làm việc với khả năng chống nhiễu cao Hệ số tín hiệu/nhiễu (SNR) lớn, 80dB đối với toàn bộ giải thông và 100 dB đối với một giải hẹp (âm tần)

Hệ số triệt nhiễu giao thoa giữa các phần tử trong mạch là trên 70dB Sai lệch (offset) điện áp DC ở lối vào rất nhỏ, dưới 100µV.Các vi mạch FPAA có thể thực hiện các phép tạo hàm, hoặc hiệu chỉnh tính phi tuyến cho các sensor thông qua việc sử dụng một bảng tra LUT ( Look-Up Table )

II.2.2.1.AN120E04 và AN220E04

Đây là hai nhóm sản phẩm đầu tiên của thế hệ FPAA thứ hai do Anadigm chế

tạo Về mặt cấu trúc chúng hoàn toàn giống nhau Cấu trúc của các bộ phận trong các vi mạch này như hình vẽ:

Mỗi vi mạch ANx20E04 gồm có 4 khối CAB ở giữa, sắp xếp theo ma trận 2x2

Xung quanh ma trận CAB là mạng lưới các đường kết nối có thể lập trình được Tất

cả các phần tử CAB đều có thể liên kết với bảng tra LUT để có thể thực hiện các phép biến đổi phi tuyến tuỳ ý Có nguồn tạo điện áp reference để tạo mức điện áp nền VMR, và các điện áp chuẩn dùng cho các CAB

Các tín hiệu vào analog được đưa tới ma trận CAB thông qua bốn phần tử mạch vào, là các Input Cell từ 1 đến 4 Trong đó, phần tử mạch vào thứ tư (Input Cell 4)

có thêm một khâu dồn kênh (MUX) cho phép chọn nối một trong bốn nguồn tín hiệu vào khác nhau Các tín hiệu ra analog được đưa từ ma trận CAB ra ngoài thông qua hai phần tử mạch ra là các Output Cell 1 và 2 Tất cả các lối vào và ra analog của FPAA đều sử dụng tín hiệu vi sai

Hình 2.2 : Cấu trúc các vi mạch ANx20E04

Phần digital của FPAA gồm có một bảng tra LUT dạng bộ nhớ 256 byte, một

giao diện lập trình (Configurable Interface) qua đó có thể thay đổi cấu hình cho FPAA, và một thanh ghi xấp xỉ dần SAR (Successive Approximation Register) 8 bit

có thể dùng cho các ứng dụng cần có biến đổi ADC Việc trao đổi thông tin cấu hình giữa FPAA và bên ngoài được thực hiện thông qua một chuẩn truyền nối tiếp SPI Tín hiệu nhịp clock dùng cho FPAA có thể được đưa vào từ một máy phát clock ngoài qua chân DCLK, cũng có thể được một máy phát clock on-chip tạo ra bằng cách nối thêm một tinh thể thạch anh có cộng hưởng nối tiếp tại chân DCLK Hoạt động của tất cả các bộ phận trong FPAA gồm CABs, clock, mạng lưới, các đường kết nối, các phần tử mạch vào/ra analog đều được điều khiển bởi nội dung của bộ nhớ cấu hình SRAM on-chip Bên cạnh mỗi bit SRAM cấu hình luôn có một bit SRAM ẩn (shadow SRAM) tương ứng với nó Khi lập trình cho các vi mạch FPAA, các dữ liệu trước hết được đưa vào bộ nhớ SRAM ẩn và chỉ sau khi việc lập trình kết thúc thì nội dung của bộ nhớ SRAM ẩn mới được copy vào bộ nhớ SRAM cấu hình để quy định hoạt động của chip

Sự khác biệt cơ bản giữa giữa AN120E04 và AN220E04 là ở khả năng thay đổi cấu hình động Trên thực tế, cả hai loại vi mạch FPAA này đều có thể được lập trình để thay đổi cấu hình mạch bao nhiêu lần cũng đuợc Tuy vậy, khi muốn thay đổi cấu hình cho AN120E04 người thiết kế phải reset lại hệ thống Còn đối với AN220E04 thì không cần phải như vậy, cấu hình của thiết bị dùng AN220E04 có thể được thay đổi ngay cả khi nó đang hoạt động Điều này có được là nhờ giao diện lập trình của AN220E04 vẫn có thể tiếp nhận thông tin để cập nhật bộ nhớ SRAM mà không gây ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị

II.2.2.2 AN121E04 và AN221E04

Các nhóm sản phẩm tiếp theo của thế hệ FPAA thứ hai do Anadigm chế tạo là AN121E04 và AN221E04 Cũng giống như ở hai nhóm mạch trước, hai vi mạch này có kiến trúc bên trong hoàn toàn giống nhau được thể hiện như hình vẽ 2.3

Sự khác biệt cơ bản giữa AN121E04 và AN221E04 vẫn chỉ ở khả năng thay đổi

cấu hình động Khi muốn thay đổi cấu hình cho AN121E04 người thiết kế cần phải reset lại hệ thống, còn cấu hình của AN221E04 thì có thể được thay đổi ngay cả khi thiết bị đang hoạt động

So với các vi mạch ANx20E04 thì các vi mạch ANx21E04 có những đặc điểm đặc biệt hơn Trước hết, đó là sự thay đổi ở các phần tử vào ra analog Ở

Hình 2.3 : Cấu trúc các vi mạch ANx21E04

ANx20E04, cấu trúc vào ra analog gồm có hai phần tử mạch ra và bốn phần tử mạch vào Còn ở ANx21E04, trong cấu trúc vào ra của nó cũng có hai phần tử mạch ra nhưng có bốn phần tử mạch vào đã được thay bằng bốn phần tử mạch vào/ra ( Input/Output Cell) có thể thay đổi được chiều truyền tín hiệu Điều này cho phép tăng thêm tính linh hoạt của FPAA trong việc ghép nối với thế giới bên ngoài Ngoài ra đặc điểm đặc biệt của ANx21E04 còn thể hiện ở bộ biến đổi ADC kiểu xấp xỉ dần ( SAR-ADC) Trong ANx20E04 , kết quả của bộ biến đổi SAR-ADC chỉ được dùng làm địa chỉ cho bảng tra LUT nhằm tạo ra các phép biến đổi tín hiệu, các khối chức năng analog có hàm truyền phi tuyến Còn ở ANx21E04 thì ngoài chức năng tạo hàm , kết quả của SAR-ADC còn có thể được đưa ra bên ngoài để sử dụng như là kết quả của một bộ biến đổi ADC thông thường Kết quả biến đổi của SAR-ADC được đưa ra dưới dạng mã nối tiếp 8 bit, bắt đầu từ bit có trọng số lớn nhất (MSB) Khi sử dụng kết quả biến đổi ADC, người thiết kế phải lập trình cho một trong hai phần tử mạch ra (analog) của ANx21E04 làm việc ở mode digital và mã nối tiếp từ SAR-ADC được đưa ra ngoài theo phần tử mạch ra này

II.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM THIẾT KẾ AnadigmDesigner ®2

AnadigmDesigner®2 là phần mềm trợ giúp thiết kế cho phép người thiết kế triển khai thực hiện và thay đổi cấu hình cho các mạch điện tử tương tự chỉ trong vòng vài phút Phần mềm này có giao diện graphic, Drag-and-Drop rất tiện lợi trong quá trình thiết kế Với phần mềm này, người thiết kế không cần phải có kiến thức chuyên môn sâu về kỹ thuật mạch điện tử Kết hợp với thư viện CAM, người thiết

kế có thể tạo ra hệ thống mạch điện tử tương tự hoàn chỉnh một cách nhanh chóng

Để thiết kế người dùng chỉ cần gọi từ thư viện CAM các khâu chức năng analog đã được lập sẵn, ví dụ như các mạch khuếch đại, chỉnh lưu tích cực, lọc tích cực bậc cao….Người thiết kế chỉ cần xác định tham số cho các khối được chọn, ví dụ như

hệ số khuếch đại, giải thông của mạch lọc,… Trong phần mềm thiết kế này còn có

khâu tạo máy phát tín hiệu, có các đầu đo Oscilloscope giúp người thiết kế mô phỏng và kiểm tra hoạt động của mạch trước khi triển khai thực hiện nó

Với phần mềm thiết kế này công việc của người thiết kế trở nên đơn giản hơn nhiều và thời gian thiết kế bây giờ có khi chỉ còn tính bằng phút Đây là một điều rất thuận lợi cho những người thiết kế

CHƯƠNG III :

CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPAA

Với các tính năng phong phú và những ưu thế vượt trội về tính khả trình, các vi mạch FPAA ngày càng được sử dụng rộng rãi trong việc thiết kế và chế tạo các thiết bị điện tử tương tự Việc ứng dụng công nghệ FPAA đã làm giảm đáng kể thời gian thiết kế và triển khai thực hiện các ý tưởng của người thiết kế Ngoài ra với khả năng thay đổi cấu hình động của các FPAA, chúng ta có thể tạo ra các thiết bị thực hiên nhiều chức năng khác nhau Cũng với khả năng đó, chúng ta có thể tạo ra các thiết bị có chức năng thay đổi nhằm thích nghi với sự thay đổi của đối tượng

Vi mạch FPAA được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhưng ở đây chúng ta chỉ đề cập đến các ứng dụng trong lĩnh vực đo lường điều khiển và tự động hoá :

- Các hệ thống điều khiển PID thích nghi, tự điều chỉnh thông số theo đối tượng

- Các thiết bị điều khiển tốc độ, áp suất, vị trí, nhiệt độ,…

- Các thiết bị điều khiển động cơ, các thiết bị tự động bán hàng

- Các thiết bị đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, đo di chuyển và các đại lượng khác

- Các thiết bị đo từ xa, các thiết bị đo phân tích các chất lỏng, chất khí…

- …

Do sự đột phá về công nghệ nên khi thực hiện việc đo lường và điều khiển bằng các vi mạch FPAA có rất nhiều thuận lợi và hệ thống trở nên linh hoạt và có tính linh động cao :

- Thay thế dễ dàng các mạch điện tử cơ bản riêng biệt với nhau với chỉ một chip FPAA duy nhất, do đó tránh được nhiều loại nhiễu và đạt được độ chính xác cao hơn nhiều

- Có khả năng tái thiết lập cấu hình hệ thống để phù hợp với sự thay đổi của môi trường và đối tượng ngay cả khi hệ thống vẫn đang chạy

- Có thể tạo ra được các chuẩn mẫu hỗ trợ được nhiều sản phẩm đơn giản bằng cách lập trình các vi mạch FPAA thích hợp với từng loại mạch analog

- Có thể thay đổi cấu hình hệ thống một cách không trực tiếp sau khi hệ thống của ta đã đi vào hoạt động

- Có thể kết nối nhiều analog sensor với chỉ một chip FPAA, do đó có thể tạo ra được một loạt các tín hiệu theo từng loại FPAA

Đây là một công nghệ mới có khả năng ứng dụng rất lớn trong thực tế, đặc biệt

là với các bài toán yêu cầu đáp ứng về tốc độ xử lý Mặt khác, do có khả năng tái lập trình nên nó có tính linh hoạt cao, đáp ứng được nhiều bài toán khác nhau

III.1.CHUẨN HÓA TÍN HIỆU SENSOR

Các vi mạch FPAA và công cụ thiết kế Anadigm®2 có một vai trò quan trọng trong việc nâng cao các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống thiết bị đo Bảng dưới đây liệt kê những yêu cầu đặt ra khi thiết kế một thiết bị đo và khả năng đáp ứng của công nghệ FPAA

Yêu cầu của thiết kế Khả năng đáp ứng của FPAA

-Nguồn kích thích ổn định, chính xác Tài nguyên on-chip của FPAA :

-Các nguồn tạo điện áp reference chính xác

-Bộ tạo dao động ổn định -Các bộ tạo tín hiệu dạng bất kỳ theo yêu cầu của ứng dụng

-Hệ thống có nhiều sensor khác nhau,

các yêu cầu chuẩn hóa tín hiệu cũng

khác nhau

Một FPAA gồm nhiều CAB và có thể lập trình thay đổi cấu hình, do đó : -Có thể thích nghi với các yêu cầu chuẩn hóa tín hiệu sensor khác nhau

-Nhiều mạch chuẩn hóa sensor có thể được tạo ra từ một chip FPAA

Đặc tính sensor thường :

-Thay đổi theo thời gian

-Thay đổi theo điều kiện làm việc

Khả năng thay đổi cấu hình động : -Tự thích nghi và chính xác cao -Tự động hiệu chỉnh hệ số khuếch đại và

bù tần số -Tự động chỉnh thang đo

Ta biết rằng, khi sử dụng sensor vào các ứng dụng đo lường công nghiệp cũng như nghiên cứu khoa học ta cần phải thực hiện các phép xử lý tín hiệu nhằm đảm bảo các yêu cầu :

- Hiệu chỉnh hệ số khuếch đại, bù offset, bù trôi, tuyến tính hóa đặc tính của sensor,…

- Cần có nguồn kích thích ổn định, chính xác phù hợp với từng sensor

- Nâng cao độ chính xác, tăng cường các tính năng của mạch chuẩn hóa tín hiệu và tạo cơ chế hiệu chỉnh trong khi thiết bị đang hoạt động

Nói chung tín hiệu đo tạo ra từ các sensor thường có công suất nhỏ, chứa trong

nó các thành phần sai số do nhiễu, do lệch offset của mạch đo Nhiệm vụ của mạch chuẩn hóa tín hiệu sensor là phải tạo ra một tín hiệu sạch, đủ khỏe để phục vụ cho các mục đích xử lý tiếp theo

Muốn vậy, mạch xử lý tín hiệu cần phải thực hiện các chức năng cơ bản sau :

Hình 3.1 mô tả một ví dụ thiết kế mạch chuẩn hóa tín hiệu sensor dùng FPAA

Trong nhiều trường hợp, khi thiết kế các hệ thống đo ta cần sử dụng nhiều loại sensor khác nhau Đặc tính biến đổi của các sensor không giống nhau, bản thân hàm truyền của mỗi sensor cũng có thể có dạng phi tuyến, không thuận thuận tiện cho việc xử lý kết quả Nhiệm vụ của mạch chuẩn hóa tín hiệu lúc này là tuyến tính hóa các hàm truyền đạt của mỗi sensor và đồng nhất các hàm truyền đó về cùng một dạng để thuận tiện cho việc xử lý Điều này có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng một vi mạch FPAA

Hình 3.2 mô tả một ví dụ đo nhiệt độ tại một điểm đo sử dụng nhiệt điện trở Đặc truyền đạt nhiệt độ - điện áp của sensor là phi tuyến Hình 3.2(a) mô tả đặc tính phi tuyến của sensor bằng một đường cong Để tuyến tính hóa đặc tính của sensor,

ta nối sensor với một mạch khuếch đại Mạch khuếch đại này có hệ số thay đổi theo

độ lớn điện áp vào Việc điều chỉnh sự thay đổi hệ số của các bộ khuếch đại này

Hình 3.1 : Chuẩn hóa tín hiệu sensor bằng vi mạch FPAA

được thực hiện thông qua bảng tra LUT Hình 3.2(b) mô tả sự thay đổi hệ số khuếch

đại của mạch này theo điện áp Kết quả ta được hàm truyền cho cả hai điểm đo đều

là tuyến tính và hoàn toàn giống nhau Hình 3.2(c) mô tả mối quan hệ giữa điện áp

ra và nhiệt độ của cả hai mạch bằng một đường thẳng duy nhất

III.2.MẠCH ĐO DÙNG TENSOR

Các tensor (điện trở lực căng) thường được sử dụng để đo biến dạng và các đại

lượng cơ khí khác Đặc điểm của các tensor là điện trở của chúng bị thay đổi phụ

thuộc vào biến dạng về kích thước của chúng Để đạt được chế độ làm việc tốt nhất,

c) Đặc tính truyền đạt của sensor được tuyến tính hóa

Hình 3.2 : Sensor đo di chuyển kiểu biến áp vi sai

nhỏ như vậy, để tránh ảnh hưởng của điện áp lệch offset, ta sử dụng khuếch đại chopper làm tầng khuếch đại đầu tiên Tiếp theo đó là một tầng khuếch đại thông thường và một mạch cộng (trừ) điện áp để khử biến dạng dư của đối tượng đo Cuối cùng là một mạch lọc thông thấp để loại trừ ảnh hưởng của các nguồn nhiễu Hình 3.3 mô tả một ví dụ sử dụng vi mạch FPAA để chuẩn hóa tín hiệu từ một cầu đo biến dạng dùng điện trở tensor

III.3.MẠCH ĐO DÙNG SENSOR KIỂU BIẾN ÁP VI SAI

Biến áp vi sai là một loại sensor thường được dùng để đo di chuyển thẳng, cấu tạo của nó được mô tả ở hình 3.4 Sensor kiểu biến áp vi sai gồm có một cuộn dây

sơ cấp ở giữa, hai đầu là hai cuộn thứ cấp, một lõi bằng vật liệu sắt từ có thể di chuyển tự do trong lòng các cuộn dây Điện áp cảm ứng tại các dây thứ cấp A và B phụ thuộc vào vị trí tương đối của lõi sắt giữa các cuộn đó Bằng cách đo sự sai lệch

Hình 3.3 : Mạch chuẩn hóa tín hiệu từ cầu đo dùng tensor

giữa hai điện áp này ta có thể xác định được vị trí của lõi sắt trong lòng các cuộn dây, và do đó xác định được lượng di chuyển của đối tượng đo Việc đo hiệu điện

áp giữa hai cuộn dây này được thực hiện tốt nhất bằng cách chỉnh lưu điện áp ra từ mỗi cuộn, sau đó đưa vào một mạch trừ điện áp

Hình 3.5 là một ví dụ phần mạch đo dùng cho sensor kiểu biến áp vi sai Trong sơ

đồ này, nguồn kích thích cho cuộn sơ cấp của biến áp vi sai được tạo ra từ một CAM (OscillatorSine) bên trong chip FPAA Điện áp cảm ứng tại các cuộn thứ cấp

A và B được chỉnh lưu và lọc bằng hai khối CAM khác nhau (RectifierFilter) cùng

Hình 3.4 : Sensor đo di chuyển kiểu biến áp vi sai

của chip FPAA đó Người thiết kế mạch đo có thể lựa chọn xử lý các điện áp chỉnh lưu VA và VB theo cách riêng của mình

III.4 TĂNG ĐỘ PHÂN GIẢI CHO ADC

Trong phần này ta sẽ xem xét một phương pháp sử dụng khả năng thiết lập cấu hình động của FPAA cho việc thu thập và xử lý các tín hiệu tương tự của sensor Ý tưởng chính của phương pháp này là sử dụng khả năng cấu hình động của FPAA để tăng độ phân giải cho bộ biến đổi ADC Hệ thống của chúng ta ở đây sẽ thực hiện thu thập tín hiệu tương tự, lọc, khuếch đại và biến đổi ADC trong vi mạch FPAA Sau đó vi xử lý master xử lý phần tín hiệu số và hiển thị kết quả cuối cùng

Khi một hệ thống số thông thường dựa trên nền các bộ vi xử lý, vi điều khiển, DSP đang thực hiện việc xử lý tín hiệu tương tự, bộ biến đổi ADC thường được khởi tạo để hoạt động với độ phân giải cố định Điều này thường được thực hiện bằng ADC tích hợp sẵn trong hệ thống Ngày nay, gần như tất cả các quá trình đo, thu thập tín hiệu từ sensor đều phải sử dụng đến bộ biến đổi ADC Các ứng dụng

Hình 3.5 : Mạch đo cho sensor kiểu biến áp vi sai