Đồ án Các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

Õ lµm viÖc theo nhiÒu ph­¬ng ph¸p kh¸c nhau. Nh­ng vÒ nguyªn t¾c chuyÓn ®æi ®Òu lµm theo nh÷ng ph­¬ng ph¸p trªn. Trong qu¸ tr×nh thiÕt kÕ mét hÖ thèng ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh, hay mét hÖ thèng ®o l­êng sè nµo ®ã tuú vµo yªu cÇucña hÖ thèng nh­ tèc ®é,®é chÝnh x¸c vËt t­ hiÖn cã mµ lùa chän ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi kh¸c nhau. Mçi ph­¬ng ph¸p ®Òu cã ­u nh­îc ®iÓm kh¸c nhau, chÝnh v× vËy viÖc nghin cøu nguyªn lý ho¹t ®éng , tÝnh n¨ng kü thu¹t cña tõng ph­¬ng ph¸p còng nh­ tõng m¹ch cô thÓ lµ nhiÖm vô cña ng­êi thiÕt kÕ. Sau ®©y ta t×m hiÓu tõng ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi: 4.1. Bé chuyÓn ®æi ADC theo ph­¬ng ph¸p tÝch ph©n mét s­ên dèc (the Ramp type ADC). 4.1.1. S¬ ®å khèi : Bé t¹o U tuyÕn tÝnh Bé so s¸nh 2 Bé t¹o cöa thêi gian Bé ®Õm xung Bé t¹o xung ®Öm Bé ®iÒu khiÓn Bé so s¸nh 1 U0 + Ux U0 2n 21 20 H×nh 4. S¬ ®å khèi ph­¬ng ph¸p tÝch ph©n mét s­ên dèc u U0 + Ux U0 t USS1 t USS2 t Uxung cöa DT Uxung chuÈn Uxung ®iÓm t t t H×nh 5 : Gi¶n ®å thêi gian  4.1.2.Nguyªn lý lµm viÖc Bé ®iÒu khتn t¹o xung ®iÒu khiÓn(Xung Clock), xung nµy cã nhiÖm vô xo¸ “0” bé ®Õm vµ t¹o ®iÖn ¸p r¨ng c­a.Nã chÝnh lµbé t¹o ®iÖn ¸p mÉu cã ®é mÐo nhá Bé so s¸nh cã nhiÖm vô so s¸nh ®iÖn ¸p cÇn ®o víi ®iÖn ¸p chuÈn. Mét ®Çu ra Bé so s¸nh 2 ®Çu vµo h×nh 6. bé so s¸nh Khi ®Æt 2 ®iÖn ¸p ®Çu vµo b»ng nhau th× cã xung ra t¹i thêi ®iÓn .Xung ra nµy kÝch bé t¹o cöa thêi gian lµ Triger ã hai tr¹ng th¸i æn ®Þnh vµ lµm cho bé cöa thêi gian tõ tr¹ng th¸i “0” chuyÓn sang tr¹ng th¸i “1”. Sau khi cã ®iÖn ¸p vµo bé so s¸nh 2 th× nã sÏ so s¸nh gi¸ trÞ vµ ®­a ra xung ®Õm t¹i thêi ®iÓm . Xung ®Õm nµy lµm cho bé t¹o xung chuyÓn tr¹ng th¸i tõ tr¹ng th¸i “1” sang tr¹ng th¸i “0” , ®ång thêi më cöa ®Ó bé t¹o xung ®Õm lät qua, c¸c xung nµy sÏ ®­îc l­u tr÷ t¹i c¸c thanh ghi cña bé ®Õm xung. Trong thùc tÕ, th­êng sö dông c¸c vi m¹ch khuyÕch ®¹i thuËt to¸n lµm bé so s¸nh. Ta thÊy r»ng ë s¬ ®å nguyªn lý ngoµi ®iÖn ¸p cÇn cho ®iÖn ¸p .§iÖn ¸p lµ ®iÖn ¸p ®­îc t¹on ra nh»m môc ®Ých ®o chÝnh x¸c gi¸ trÞ cña ®iÖn ¸p v× khi b¾t ®Çu qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi nã ch­a æn ®Þnh do tÝnh kh«ng ®­êng th¼ng. Ta cã: (10) Víi: (11) Suy ra: (12). V× = const = Gi¶ sö i = 0 = n. 4.1.3 Sai sè chuyÓn ®æi vµ c¸ch kh¾c phôc. §Ó thùc hiÖn ®o l­êng vµ chuyÓn ®æi b»ng m¸y tÝnh th«ng qua card ghÐp nèi chuyÓn ®æi t­¬ng tù-sè ADC ngoµi viÖc ph¶i hiÓu nguyªn lý ho¹t ®éng cña nã, ta cßn ph¶i biÕt tÝnh n¨ng ®o l­êng còng nh­ ®é chÝnh x¸c cña tõng bé chuyÓn ®æi. VËy ®é chÝnh x¸c cña bé chuyÓn ®æi sö dông ph­¬ng ph¸p trªn phô thuéc vµo c¸c yÕu tè g× ? * §Ó tr¶ lêi cho c©u hái trªn ta ph¶i xem xet tõng yÕu tè tuú thuéc: C¸c ®iÖn ¸p chuÈn + DiÖn ¸p r¨ng c­a khong tuyÕn tÝnh + TÇn sè kh«ng æn ®Þnh cã sai sè t­¬ng ®èi lín lín Do nhiÔu xung can thiÖp vao m¹ch biÕn ®æi Do sù kh«ng ®ång bé gi÷a xung më cöa vµ chuçi xung chuÈn dÉn ®Õn sai sè ph­¬ng ph¸p ®o * c¸ch kh¾c phôc: Tr­íc hÕt ph¶i t¹o ®iÖn ¸p chuÈn thËt chuÈn g% nhá, sai sè doTÇn sè nhá nhá Gi¶m sai sè ph­¬ng ph¸p, t¨ng tÇn sè xung chuÈn, tuy nhiªn còng ph¶i phô thuéc vµo ®é ph©n gi¶i cña bé ®Õm xung. 4.2. Bé chuyÓn ®æi AD theo ph­¬ng ph¸p tÝch ph©n hai s­ên rèc. (The dual-slope integerating type A/D converter) 4.2.1. S¬ ®å khèi cÊu t¹o. Bé ®Öm M¹ch Logic §Õm Z0 T¹o xung nhÞp R c Uc Uch Ua M¹ch tÝch ph©n A1 Bé so s¸nh A2 M¹ch ADN U0 H×nh 7. s¬ ®å khèi cÊu t¹o bé chuyÓn ®æi theo ph­¬ng ph¸p hai s­ên dèc UC UA t t1 t2 t’2 0 U’c1 U’c2 H×nh 8. gi¶n ®å thêi gian 4.2.2. Nguyªn lý ho¹t ®éng. M¹ch logic ®iÒu khiÓn, ®iÒu khiÓn cho kho¸ K ë vÞ trÝ 1 th× ®iÖn ¸p t­¬ng tù cÇn chuyÓn ®æi n¹p ®iÖn cho tô C th«ng qua ®iÖn trë R t¹i thêi ®iÓm . Khi ®ã ë ®Çu ra cña m¹ch tÝch ph©n Cã ®iÖn ¸p ®­îc tÝnh theo c«ng thøc sau: (13). R C UchuÈn Uc H×nh 9. m¹ch tÝch ph©n Nh­ vËy, tû lÖ víi. Tuú theo lín hay bÐ mµ ®Æc tuyÕn cña cã ®é dèc kh¸c nhau. Trong thêi gian , bé ®Õm còng ®Õm c¸c xung nhÞp. Sau khi n¹p ®iÖn ¸p cÇn ®o cho tô ®iÖn C, m¹ch logic ®iÒu khiÓn sÏ chuyÓn kho¸ K sang vÞ trÝ 2 ®ång thêi tÝn hiÖu tõ m¹ch logic còng ®­îc ®­a ®Õn m¹ch AND ( m¹ch “Vµ”) vµ lµm chom¹ch AND th«ng khi cã xung nhÞp t¸c ®éng. T¹i thêi ®iÓm nµy, m¹ch ®Õm ë ®Çu ra b¾t ®Çu thùc hiÖn ®Õm vµ m¹ch ®Õm ®­îc m¹ch logic ®iÒu khiÓn vÒ vÞ trÝ nghØ. Khi K ë vÞ trÝ 2, ®iÖn ¸p chuÈn b¾t ®Çu n¹p ®iÖn cho tô C theo chiÒu ng­îc l¹i, ph­êng tr×nh n¹p lµ: (14). GØa thiÕt sau thêi gian th× , nghÜa lµ ®iÖn ¸p trªn tô C b»ng “0” v× hai ®iÖn ¸p ®­îc n¹p vµo tô cã nhiÒu c¸ch kh¸c nhau. Nh­ vËy ta cã: (15) Sè xung ®­a ®Õn m¹ch ®Õm trong thêi gian lµ: (16). Trong ®ã lµ tÇn sè cña d·y xung nhÞp tõ ®ã suy ra . Thay vµo (15) ta ®­îc: (17). Do ®ã xung nhÞp ®Õm ®­îc nhê m¹ch ®Õm ë ®Çu ra trong kho¶ng thêi gian lµ: (18). Sau thêi gian m¹ch ®Õm ra bÞ ng¾t v× ®iÖn ¸p trªn tô = 0 vµ m¹ch logic ®ãng cæng AND .Qóa tr×nh lÆp l¹i t­¬ng tù trong qu¸ tr×ng chuyÓn ®æi tiÕp theo. Nh­ vËy, theo c«ng thøc ta thÊy sè xung ®Õm ®­îc ë ®Çu ra tû lÖ víi ®iÖn ¸p t­¬ng tù cÇn chuyÓn ®æi. ë ®©y, kÕt qu¶ ®Õm kh«ng phô thuéc vµo c¸c th«ng sè RC cña m¹ch vµ còng kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè fn . chÝnh v× lÏ ®ã kÕt qña chuyÓn ®æi còng kh¸ chÝnh x¸c, tuy nhiªn yªu cÇu cÇn thiÕt lµ tÇn sè nhÞp ph¶i cã ®é æn ®Þnh cao nghÜa lµ gi¸ trÞ tÇn sè xung nhÞp ph¶i nh­ nhau trong kho¶ng thíi gian t1 ,t2 Tãm l¹i, trong ph­¬ng ph¸p nµy.ta d· lµm cho ®iÖn ¸p cÇn chuyÓn ®æi UA Tû lÖ víi thêi gian (t1,t2 ) råi ®Õm sè xung nhÞp xuÊt hiÖn trong kho¶ng thêi gian ®ã. Ph­¬ng ph¸p nµy cho ta chuyÓn ®æi tÝn hiÖu t­¬ng tù thµnh tÝn hiÖu sè cã ®é chÝnh x¸c cao. 4.3 Ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi song song hay ph­¬ng ph¸p so s¸nh trùc tiÕp. (Comparaison directe). 4.3.1. S¬ ®å nguyªn lý. UA Uch 7V/8 3V/8 5V/8 V/2 3V/8 V/4 V/8 V/2 R R R R R R R R M· Ho¸ Lèi vµo Lèi ra 1111111 000 0111111 001 0011111 010 0001111 011 0000111 100 0000011 101 0000001 110 0000000 111 Bit 1 Bit 2 Bit 3 H×nh 10. s¬ ®å nguyªn lý ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi song song 4.3.2.Nguyªn lý ho¹t ®éng Trong ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi nµy, tÝn hiÖu t­¬ng tù cÇn chuyÓn ®æi UA cÇn chuyÓn ®æi ®­îc ®­a ®ång thêi tíi ®Çu vµo c¸ bé so s¸nh. §iÖn ¸p chuÈn Uch ®­îc ®­a ®Õn ®Çu vµo cßn l¹i cña c¸c bé so s¸nh qua thanh ®iÖn trë R. Do ®ã c¸c ®iÖn ¸p chuÈn ®Æt vµo bé so s¸nh l©n cËn kh¸c nhau mét l­îng kh«ng ®æi vµ gi¶m dÇn. §Çu ra cña c¸c bé so s¸nh cã ®iÖn ¸p vµo lín h¬n ®iÖn ¸p chuÈn lÊy trªn thanh ®iÖn trë cã møc logic “1”, ng­îc l¹i c¸c ®Çu ra cña c¸c bé so s¸nh co ®iÖn ¸p vµo nhá h¬n ®iÖn ¸p chuÈn cã møc logic “0. TÊt c¶ c¸c ®Çu ra cña c¸c bé so s¸nh ®­îc nèi vµo m¹ch AND cã mét ®Çu ®­îc nèi vµo mét m¹ch t¹o xung nhÞp. ChØ khi cã xung nhÞp ®­îc ®­a ®Õn t¸c ®éng vµo ®Çu m¹ch AND th× c¸c xung ra cña c¸c bé so s¸nh míi ®­îc n¹p vµo bé nhí lµ c¸c Flip-Flop.C¸c xung sau khi ®­îc nhí vµo m¹ch nhí nã ®­îc ma ho¸ thµnh d¹ng nhÞ ph©n. Nh­ vËy, cóu sau mét kho¶ng thêi gian b»ng mét chu kú xung nhÞp th× l¹i cã mét tÝn hiÖu ®­îc chuyÓn ®æi. Nh­ vËy, bé chuûªn ®æi t­¬ng tù-sè lµm viÖc theo ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi song song cã tèc ®é chuyÓn ®æi nhanh v× qu¸ tr×nh so s¸nh ®­îc thùc hiÖn song song cïng mét kho¶ng thêi gian. Tuy nhiªn, kÕt cÊu m¹ch phøc t¹p víi sè linh kiÖn qu¸ lín. Víi bé chuûªn ®æi N bit, ®Ó ph©n biÖt ®­îc 2n møc l­îng tö ho¸ th× ph¶i dïng tíi (2N - 1) bé so s¸nh. ChÝnh v× lÏ ®ã bé chuyÓn ®æi sö dông ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi nµy chØ ®ùoc sö dông trong hÖ thèng chuyªn dông cã yªuc cÇu sè bit N nhá vµ tèc ®é chuyÓn ®æi cao. Ngµy nay, ng­êi ta ®· chÕ t¹o ®­î card ADC7 bit tÇn sè fC = 15MHZ. 4.4.Bé chuyÓn ®æi ADC theo ph­¬ng ph¸p xÊp xØ liªn tiÕp (The Successive-approximation type ADC) 4.4.1. s¬ ®å khèi cÊu t¹o. Ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi xÊp xØ liªn tiÕp lµ ph­¬ng ph¸p phæ biÕn cho c¸c kiÓu ADC do tÝnh n¨ng tèc ®é, ®é chÝn x¸c vµ tÝnh dÔ thiÕt kÕ cña nã. Nã ho¹t ®éng nhê viÖc so s¸nh thÕ ®­îc sinh ra víi thÕ nèi vµo. Mét m¹ch d·y vµ mét m¹ch chuyÓn ®æi sè-t­¬ng tù ADC, mét ®ång hå xung nhÞp vµ mét thanh ghi xÊp xØ liªn tiÕp SAR . M¹ch d·y liªn tôc t¹o ra c¸c møc ®iÖn ¸p so s¸nh DAC N-Bit Xung nhÞp ®iÒu khiÓn khëi ®éng qua tr×nh chuyÓn ®æi Bit 1 Bit N H×nh 11. S¬ ®å khèi ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi xÊp xØ liªn tiÕp 4.4.2. Nguyªn lý ho¹t ®éng. Nguyªn t¾c lµm viÖc chñ yÕu lµ dùa trªn c¬ së “®óng” vµ “sai”. TÝn hiÖu lèi vµo ®­îc xÊp xØ liªn tiÕp b»ng mét nöa ®é lín cña b­íc tr­íc ®ã. Ban ®Çu nã kiÓm tra xem nÕu ®iÖn thÕ lèi vµo Vin lín h¬n mét nöa kho¶ng ®iÖn thÕ (VRanger ) cña ADC. GØa sö r»ng lèi ra “lµ ®óng” th× phÐp xÊp xØ tiÕp theo sÏ kiÓm tra xem nÕu Vin lín h¬n (1/2 + ¼) gi¶i ®iÖn ¸p VRanger .Qóa tr×nh nµy sÏ lÆp l¹i cho ®Õn khi thÕ vµo xÊp xØ ®ñ chÝnh x¸c . C¸c ®iÖn ¸p mÉu ®­îc t¹o ra b»ng bé chia mÉu ®iÖn ¸p. Sè l­îng ®iÖn ¸p mÉu t­¬ng øng víi sè bËc cña bé biÕn ®æi hay lµ sã bit cña tõ m· nhÞ ph©n ë ®Çu ra bé chuyÓn ®æi t t 1 0 0 1 0 1 0 V max V xÊp xØ 1/2V ranger H×nh 12. Gi¶n ®å thêi gian Bé khuyÕch ®¹i thËt to¸n ë ®©y sö dông ®Ó so s¸nh hai gi¸ trÞ ®iÖn thÕ ë cïng ®é lín (Biªn ®é cña tÝn hiÖu t­¬ng tù), nÕu kh«ng sö dông ë chÕ ®é ph¶n håi. Lèi ra cña bé khuyÕch ®¹i lý t­ëng lµ +0.5 volt, nÕu V+ > V- vµ b»ng –15 volt nÕu V+ < V- Nh÷ng m¹ch nh­ vËy ®­îc gäi lµ bé so s¸nh(comparator) .Trong tr­êng hîp nµy, Vout lµ giíi h¹n vÒ kh«ng t­¬ng øng víi 5 volt ®Î lèi ra cã thÓ t­¬ng thÝch møc TTL . Ngoµi bé so s¸nh ®­îc sö dông trong bé chuyÓn ®æi nµy cßn cã m¹ch chuyÓn ®æi DAC cã nhiÖm vô chuyÓn ®æi sè nhÞ ph©n thµnh thÕ t­¬ng tù t­¬ng øng víi ®é lín (Biªn ®é cña tÝn hiÖu t­¬ng tù) víi gi¸ trÞ sè ®ã . HiÖu suÊt chuyÓn ®æi cña kü thuËt nµy lµ chuyÓn ®æi cã ®é ph©n gi¶i cao, cã thÓ lµm viÖc trong thêi gian rÊt ng¾n hay tèc ®é chuyÓn ®æi cao. Tuy nhiªn, tèc ®é chuyÓn ®æi cßn phô thuéc vµo c¸c m¹ch nèi dÆc biÖt lµ bé DAC vµ bé so s¸nh. Ngoµi ra, sai sè cña phÐp chuyÓn ®æi nµy phô thuéc vµo ®é chÝnh x¸c, ®é æn ®Þnh cña ®iÖn ¸p mÉu vµ sai sè c¶ c¸c thiÕt bÞ so s¸nh. Ch­¬ng 2. ChuyÓn ®æi sè - t­¬ng tù DAC (The Digital to Analog Convertor) ChuyÓn ®æi sè –t­¬ng tù (DAC) lµ mét kh©u kh«ng kÐm phÇn quan träng trong mét hÖ thèng ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh. §Ó ®iÒu khiÓn mét hÖ thèng nh­ ®iÒu khiÓn t¨ng, gi¶m æn nhiÖt cña mét lß nhiÖt dïng trong c«ng nghiÖp haynh­ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn ... th× m¸y tÝnh cÇn ph¸t ra tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn. TÝn hiÖu nµy lµ tÝn hiÖu sè v× thÕ trong h©ï hÕt c¸c hÖ thèng tù ®éng ho¸ cÇn ph¶i chuyÓn tÝn hiÖu nµy thµnh tÝn hiÖu t­¬ng tù (dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p biÕn thiªn liªn tôc).M¹ch ®iÖn thùc hiÖn chøc n¨ng nµy lµ m¹ch chuyÓn ®æi sè- t­¬ng tù(DAC). Nh­ vËy, m¹ch chuyÓn ®æi t­¬ng tù-sè sÏ thùc hiÖn chuyÓn ®æi tõ n bit(Binary Digit) thµnh 2n gi¸ trÞ ®iÖn ¸p kh¸c nhau, c¸c ®iÖn ¸p nµy ®ù¬c lÊy ra tõ mét diÖn ¸p so s¸nh x¸c ®Þnh. Nguån ®iÖn ¸p so s¸nh cã thÓ t×m thÊy ë chÝnh bªn trong bé chuûªn ®æi DA hoÆc tõ mét nguån ®iÖn ¸p tõ bªn ngoµi. §é ph©n gi¶i ®­îc chØ ra nh­ lµ ®é réng cña gi¸ trÞ sè ®­îc biÕn ®æi.V× thÕ, mét bé biÕn ®æi D/A n bit cã thÓ t¹o ra 2n gi¸ trÞ lèi ra kh¸c nhau. Khi ta chän d¶i ®iÒu chØnh cã ®é réng 10v nh­ th­êng thÊy trong c«ng nghiÖp, th× sÏ cã nh÷ng b­íc nh¶y ®iÖn ¸p nhá nhÊt nh­ sau: N §é ph©n gi¶i §iÖn ¸p nhá nhÊt 8 1/256 39.1 mV 10 1/1024 0.97 mV 12 1/4096 0.24 mV 16 1/65536 0.015 mV B¶ng 2. §é ph©n d¶i cña DAC t­¬ng øng víi sè bit 1.S¬ ®å khèi-nguyªn t¾c lµm viÖc. ChuyÓn ®æi sè-t­¬ng tù (DAC) lµ qu¸ tr×nh lµm l¹i tÝn hiÖu t­¬ng tù tõ N sè h¹ng hay nãi c¸ch kh¸c tõ N bit ®· biÕt cña tÝn hiÖu so víi ®é chÝnh x¸c lµ mét møc l­îng tö lµ LBS . DAC LTD UD UM UA H×nh 13. s¬ ®å khèi qu¸ tr×nh kh«i phôc tÝn hiÖu t­¬ng tù §Ó lÊy ®­îc tÝn hiÖu t­¬ng tù tõ tÝn hiÖu sè lµ tÝn hiÖu rêi r¹c theo thêi gian, tÝn hiÖu nµy®­îc ®­a qua mét bé läc th«ng thÊp lý t­ëng.Trªn ®Çu ra cña bé läc cã tÝn hiÖu UA biÕn thiªn liªn tôc theo thêi gian, lµ tÝn hiÖu néi suy cña Um . ë ®©y bé loc th«ng thÊp ®ãng vai trß nh­ mét bé néi suy UM t 0 H×nh 14. Gi¶n ®å thêi gian 2.c¸c ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi sè- t­¬ng tù 2.1.ChuyÓn ®æi sè-t­¬ng tù b»ng ph­¬ng ph¸p ®Êu ®iÖn trë R-2R Ph­¬ng ph¸p nµy ®­îc sö dông réng r·i nhÊt ë c¸c bé chuyÓn ®æi DA. Sù s¾p xÕp kh¸ ®Æc biÖt cña c¸c ®iÖn trë ®· mang l¹i nh­ìng ­u ®iÓm næi bËt so víi c¸c ph­¬ng ph¸p kh¸c .PhÇn chÝnh cña m¹ng c¸c ®iÖn trë cã thÓ xem nh­ lµ mét bé chia ®iÖn ¸p. Bé chia nµy cã ®Æc tÝnh lµ mçi ®iÓm nót ®­îc ®Êu t¶i b»ng mét ®iÖn trë R.Nhê vËy mµ mçi ®iÓm nót dßng ®iÖn di qua ®­îc chia theo tû lÖ 1:1 vµ ®èi vãi bit cao nhÊt ®i qua ®iÖn trë ®­îc tÝnh b»ng c«ng thøc: I = Uref / 2R (15) Cßn dßngqua ®iÖn trë tiÕp theo sÏ lµ: I = Uref / 2R.0.5(16). Ngoµi ra mét bé phËn chuyÓn m¹ch qua l¹i sÏ x¸c ®Þnh liÖu dßng ®iÖn sÏ ®i xuèng mass hay lµ ®i qua ®iÓm lÊy tæng cña m¹ch. Møc High ®Æt ë chuyÓn m¹ch sao cho dßng ®iÖn ®i qua ®iÓm lÊy tæng vµ do vËy ®ãg gãp vµo dßng ®iÖn tæng céng. Dßng ®iÑn tæng céng ë lèi ra OUT1 sau ®ã ®­îc tÝnh theo c«ng thøc : I =Uref.n/256.R n ë ®©y lµ gi¸ trÞ byte d÷ liÖu (kÒ s¸t lèi ra). Khi ch©n ra OUT1 víi lèi vµo kh«ng ®¶o cña mét bé khuyÕch ®¹i thuËt to¸n cã ®iÖn trë R ®­îc ®¸u nh­ ®iÖn trë ph¶n håi th× ®iÖn ¸p ®­îc tÝnh nh­ sau: Ua =-IR = -Uref .n/256 K Uch R 2N 21 2N-1 RN UM TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn sè H×nh 15. S¬ ®å nguyªn lý ADC thang ®iÖn trë 2.2.2. Nguyªn t¾c ho¹t ®éng S¬ ®å trªn m« t¶ nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña bé chuyÓn ®æi AD theo ph­¬ng ph¸p thang ®iÑn trë. ë ®Çu vµo cña bbé khuyÕch ®¹i thuËt to¸n lµ mét thang ®iÖn trë mµ trÞ sè cña chóng ph©n bè theo m· nhÞ ph©n, c¸c ®iÖn trë l©n cËn nhau cã trÞ sè h¬n kÐm nhau 2 lÇn.TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn chÝnh lµ tÝn hiÖu sè cÇn chuyÓn ®æi. Bit cã träng sè nhá nhÊt (LBS) ®­îc ®­a ®Õn ®iÒu khiÓn kho¸ nèi víi ®iÖn trë lín nhÊt (R), bit cã träng sè lín h¬n, tiÕp ®ã ®­a ®Õn ®iÒu khiÓn kho¸ nèi víi ®iÖn trë nhá h¬n (R/2)... vµ MSB nèi víi ®iÖn trë nhá nhÊt (R/2N-1). Nõu 1 bit cã gi¸ trÞ “0” th× kho¸ t­¬ng øng Nèi víi ®Êt vµ nÕu mét bit cã gi¸ tri “1” th× kho¸ t­¬ng øng nèi víi nguån ®iÖn ¸p chuÈn Uch ®Ó t¹o nªn dßng ®iÖn tû lÖ nghÞch víi trÞ sè ®iÖn trëcña nh¸nh ®ã, nghÜa lµ I0 cã trÞ sè nhá nhÊt vµ IN-1cã trÞ sè lín nhÊt. Dßng ®iÖn sinh ra trong c¸c nh¸nh ®iÖn trë ®­îc ®­a ®Õn ®Çu vµo bé khuyÕch ®¹i thuËt to¸n, ë ®Çu ra bé khuyÕch ®¹i thuËt to¸n cã ®iÖn ra ®­îc tÝnh b»ng c«ng thøc: UM = -RN. (19). §Ó thùc hiÖn chuyÓn m¹ch K trong s¬ ®å trªn ta cã thÓ sö dông s¬ ®å sau: Uch T2 TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn sè T1 H×nh 16. s¬ ®å nguyªn lý chuyÓn m¹ch K 2.3.chuyÓn ®æi sè-t­¬ng tù b»ng ph­¬ng ph¸p Shannon-Rack. 2.3.1. s¬ ®å nguyªn lý. K2 K1 C R I H×nh17.s¬ ®å nguyªn lý bé chuyÓn ®æi D-A theo ph­¬ng ph¸p m· ho¸ Shannon-Rack. 2.3.2.Nguyªn lý ho¹t ®éng. §©y lµ mét qu¸ tr×ng chuyÓn ®æi nèi tiÕp tõng bit mét. TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn sè ®­îc ®­a lÇn l­ît tõ LBS ®Õn MSB ®Õn ®iÒu khiÓn K1.Gi¶ sö _gäi thêi gian chuyÓn ®æi 1 bit lµ T th× trong kho¶ng ®Çu T/2, K2më, K1®ãng, nÕu tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn lµ “1” vµ më khi tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn lµ “0”. Khi K ®ãng th× tô ®­îc n¹p. Sang nöa sau cña T/2, K1më, K2®ãng, C phãng ®iÖnqua R vµ UC gi¶m rÇn. Qu¸ tr×nh ®ã lÆp l¹i khi lÇn l­ît ®­a ra c¸c bit ®Õn ®iÒu khiÓn K1. NÕu cÇn chuyÓn ®æi N bit th× thêi gian cÇn chuyÓn ®æi lµ NT. Sau kho¶ng thêi gian NT ®iÖn ¸p cßn l¹i trªn tô ®iÖn chÝnh lµ ®iÖn ¸p t­¬ng tù cÇn t×m. Tuy nhiªn, ®Ó cã ®iÖn ¸p UC sau mçi bit (sau kho¶ng thêi gian T) tØ lÖ víi bit t­¬ng øng, ph¶i chén thêi gian phãng cña tô ®iÖn qua ®iÖn trë R theo ®iÒu kiÖn T/2 = 0.7RC sao cho nÕu ®iÖn ¸p trªn tô lµ U0th× sau khi phãng, ®iÖn ¸p cßn l¹i lµ UC= U0 e- 0.7 = 0.496 U0 phÇn 2 øng dông cña m¸y tÝnh trong ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn M¸y tÝnh (computer) cã cÊu tróc do Phonnerman ®Ò xuÊt bao gåm cã khèi xö lý trung t©m CPU (Center Processing Unit) cã chøc n¨ng thùc hiÖn c¸c chuçi lÖnh cña ch­¬ng tr×nh ®· ®­îc ghi vµo trong bé nhí, bé nhí M (Memory) l­u tr÷ d÷ liÖu vµ c¸c ch­¬ng tr×nh. Ngoµi ra cßn c¸c cöa vµo ra I/O (In/Out Port) ®ãng vai trß lµ c¸c khèi ghÐp nèi gi÷a m¸y tÝnh vµ c¸c thiÕt bÞ ngoµi , lµm nhiÖm vô rao ®æi tin gi÷a m¸y tÝnh vµ m«i tr­êng bªn ngoµi. Ngoµi ra cßn cã c¸c cöa vµo ra I/O (In/Out Port) ®ãng vai trß lµ c¸c khèi ghÐp nèi gi÷a m¸y tÝnh vµ c¸c thiÕt bÞ ngoµi, lµm nhiÖm vô trao ®æi tin gi÷a m¸y tÝnh vµ m«i tr­êng bªn ngoµi. Nh­ vËy, ngoµi chÕ ®é tù trÞ (of-line) kh«ng nèi víi c¸c thiÕt bÞ ngoµi th«ng dông nh­: bµn phÝm, mµn h×nh, chuét, ®Üa tõ (®Üa cøng, ®Üa mÒm, ®Üa quang), m¸y ®äc, m¸y in...M¸y tÝnh cßn ho¹t déng ë chÕ ®é nèi m¹ch (on-line) hay thêi gian thùc (real time). ë chÕ ®é nµy, m¸y tÝnh nhËn c¸c th«ng sè vÒ th«ng sè ®o vËt lý(nhiÖt ®é, ¸p suÊt,®iÖn ¸p, dßng ®iÖn...) vµ ®­a ra tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn cÇn thiÕt ®Ó ®iÒu chØnh nh»m cã mét th«ng sè æn ®iÞnh hoÆc tèi ­u.Ng­êi m¸y(robot) lµ mét vÝ dô ®Æc tr­ng cña viÖc øng dông kü thuËt m¸y tÝnh trong ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn tù ®éng trong c«ng nghiÖp. Muèn thiÕt kÕ, b¶o qu¶n tèt hÖ ®o-®iÒu khiÓnc«ng nghiÖp øng dông kü thuËt ghÐp nèi ®iÒu quan träng thiÕt yÕu lµ ph¶i n¾m v÷ng kü thuËt m¸y tÝnh, kü thuËt viÕt ch­¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn. Ngoµi ra cßn ph¶i n¾m v÷ng c¸c kü thuËt ghÐp nèi theo c¸c chÕ ®é song song, nèi tiÕp, trùc tiÕp khèi nhí(DMA). DÓ thùc hiÖn viÖc ghÐp nèi m¸y tÝnh ta cã c¸c kh¶ n¨ng lùa chän: GhÐp nèi qua cæng song song (cæng m¸y in hay LPT) GhÐp nèi qua cæng nèi tiÕp (cæng COM) Qua r·nh c¾m më réng Ch­¬ng 1 GhÐp nèi qua cæng song song (lpt) 1 cÊu t¹o cæng song song: Cæng song song cã mÆt ë hÇu hÕt trªn c¸c m¸y tÝnh PC .cÊu tróc cña cæng song song rÊt ®¬n gi¶n víi 8 ®­êng dÉn d÷ liÖu, 4 ®­êng dÉn ®iÒu khiÓn ®Ó chuyÓn c¸c tÝn hiÖu diÒu khiÓn, 5 ®­êng dÉn tr¹ng th¸i ®Ó truyÒn c¸c th«ng tin tr¹ng th¸i tõ thiÕt bÞ ghÐp nèi trë l¹i m¸y tÝnh, mét ®­êng dÉn mass chung. Giao diÖn song song sö dông c¸c møc TLL, chÝnh v× vËy viÖc sö dông cæng song song cho môc ®Ých ®o l­êng ®iÌu khiÓn rÊt thuËn lîi vµ ®¬n gi¶n. tuy nhiªn, kho¶ng c¸ch cùc ®¹i gi÷a cæng song song maý tÝnh PC vµ thiÕt bÞ ngo¹i vi bÞ h¹n chÕ v× ®iÖn dung ký sinh vµ hiÖn t­îng c¶m øng gi÷a c¸c ®­êng dÉn cã thÓ lµm biÕn d¹ng tÝn hiÖu. Kho¶ng c¸ch ghÐp nèi trªn 3m nªn xo¾n c¸c ®­êng dÉn tÝn hiÖu víi ®­êng nèi ®Êt theo kiÓu cÆp d©y x«¾n hoÆc dïng lo¹i d©y c¸p dÑp nhiÒu sîi trong ®ã mçi ®­êng dÉn d÷ liÖu ®Òu n»m gi÷a hai ®­êng d©y nèi mass M¸y tÝnh 1 M¸y in H×nh 17.c¸c ®­êng dÉn tÝn hiÖu gi÷a m¸y tÝnh vµ m¸y in Cæng song song cã 8 d­êng dÉn song song ®Òu ®­îc dïng ®Ó truyÒn d÷ liÖu tõ m¸y tÝnh sang m¸y in. Trong nh÷ng tr­êng hîp nµy, khi chuyÓn sang c¸c óng dông ®Ó thùc hiÖn nhiÖm vô ®o l­êng ta ph¶i chuyÓn d÷ liÖu tõ m¹ch ngo¹i vi vµo m¸y tÝnh ®Ó thu thËp vµ xö ý. V× vËy, ta ph¶i tËn dông mét trong 5 ®­êng dÉn theo h­íng ng­îc l¹i nghÜa lµ tõ bªn ngoµi vÒ m¸y tÝnh ®Ó chuyÓn sè liÖu ®o l­êng . Tªn cña tÝn hiÖu Ch©n sè (« c¾m 25 ch©n) Ch©n sè (« c¾m 36 ch©n) Truy cËp H­íng d÷ liÖu strobe 1 1 §CCS (Bit0) Lèi ra D0 2 2 §CCS (Bit1) Lèi ra D1 3 3 Lèi ra D2 4 4 Lèi ra D3 5 5 Lèi ra D4 6 6 Lèi ra D5 7 7 Lèi ra D6 8 8 Lèi ra D7 9 9 §CCS (Bit7) Lèi ra Achowledge 10 10 §CCS+1(Bit6) Lèi vµo Busy (b¸o bËn) 11 11 §CCS+1(Bit7) Lèi vµo ®¶o Paperempty (hÕt giÊy) 12 12 §CCS+1(Bit5) Lèi vµo Select (lùa chän) 13 13 §CCS+1(Bit4) Lèi vµo Auto linfeed (tù ®éng n¹p dßng) 14 14 §CCS+2(Bit1) Lèi vµo/ra ®¶o Error (m¾c lçi) 15 32 §CCS+1(Bit3) Lèi vµo Reset (thiÕt lËp l¹i) 16 31 §CCS+1(Bit2) Lèi vµo/ra Select Input (lùa chän lèi vµo) 17 36 §CCS+2(Bit3) Lèi vµo/ra ®¶o Ground (nèi ®Êt cña tÝn hiÖu) 18-25 19-30,33 Chassis-Ground (nèi ®Êt vá m¸y) 17 +5 V 18 Kh«ng sö dông 34,35 B¶ng 3.sù s¾p xÕp c¸c ch©n trªn 2 lo¹i æ c¾m Chøc n¨ng cña tõng ch©n ®­îc m« t¶ sau d©y: Strobe: víi mét chøc n¨ng logic thÊp (Low) ë ch©n nµy, m¸y tÝnh th«ng b¸o cho m¸y in biÕt cã mét byte s½n sµng trªn ®­êng dÉn tÝn hiÖu ®Ó ®­îc truyÒn. D0-D7: c¸c ®­êng dÉn d÷ liÖu. Achowledge: Víi mét møc logic thÊp (Low) ë ch©n nµy, m¸y in th«ng b¸o cho m¸y tÝnh biÕt ®· nhËn ®­îc ký tù võa göi vµ cã thÓ tiÕp tôc nhËn Busy: m¸y in göi mét møc logic cao (High) trong khi ®ang ®ãn nhËn hoÆc in ra d÷ liÖu ®Ó th«ng b¸o lµ c¸c bé ®Öm cña m¸y in ®· bÞ ®Çy (M¸y in ®ang ë tr¹ng th¸i bËn) khi ®ã mý in ®Æt ë tr¹ng th¸i Off-Line Paper Empty: Ch©n nµy ë møc cao (High) cã nghÜa lµ m¸y in th«ng b¸o giÊy ®· ®­îc dïng hÕt Select: ch©n nµy ë møc cao (High) cã nghÜa lµ m¸y in ®ang ë tr¹ng th¸i kÝch ho¹t (On-line). Auto Linefeed: b»ng métmøc thÊp (Low) ë ch©n nµy, m¸y in th«ng b¸o cho m¸y tÝnh biÕt ®· cã mét lçi, ch¼ng h¹n bÞ kÑ giÊy hoÆc m¸y in ®ang ë tr¹ng th¸i Off-Line Reset: b»ng mét møc thÊp (Low) ë ch©n nµy, m¸y in ®­îc ®Æt trë l¹i tr¹ng th¸i ®­îc x¸c ®Þnh lóc ban ®Çu Select Input: b»n mé møc thÊp (Low) ë ch©n nµy, m¸y in ®­îc lùa chon bëi m¸y tÝnh Nh­ vËy, th«ng qua chøc n¨ng cña c¸c ch©n nµy ta thÊy ®­îc nguyªnt¾c ®iÒu khiÓn cña m¸y in. Ngoµi ra víi 8 ®­êng dÉn d÷ liÖu song song ®Ó truyÒn d÷ liÖu tõ m¸y tÝnh sang m¸y in. Trong tr­êng hîp khi chuyÓn sang c¸c øng dông ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn ta ph¶i chuyÓn d÷ liÖu tõ m¸y tÝnh trë l¹i m¸y in ®Ó thu thËp vµ xö lý, v× thÕ ta ph¶i tËn dông mét trong n¨m ®­êng dÉn theo h­íg ng­îc l¹i ®Î m¸y tÝnh thu thËp vµ xö lý. Tuy nhiªn , khi tiÕn hµnh ghÐp nèi víi cæng song song cÇn hÕt søc thËn träng. Kh¸c víi cæng nèi tiÕp , ta cã thÎ lµm háng cæng song song do nhÇm lÉ bëi v× c¸c lèi ra cæng song song ®Òu lµ c¸c ®­êng dÉn t­¬ng thÝch TTL kh«ng ®­îc b¶o vÖ chèng qua t¶i chÝnh v× lÏ ®ã khi tiÕn hµnhghÐp nèi víi cæng song song cÇn ph¶i tu©n thñ theo c¸c quy t¾c sau: + ThiÕt bÞ chØ ®ùoc ghÐp nèi víi cæng song song khi m¸y tÝnh ë tr¹ng th¸i ng¾t diÖn + c¸c lèi vµo chØ ®­îc phÐp tiÕp nhËn ®iÖn ¸p gi÷a 0v-5v + c¸c lèi ra kh«ng ®­îc phÐp ng¾n m¹ch hoÆc ®Êu nèi víi c¸c lèi ra kh¸c vµ c¸c lèi ra kh«ng ®­îc phÐp nèi víi c¸c nguån tÝn hiÖu ®iÖn ¸p mµ kh«ng biÕt râ th«ng sè §Ó cã thÓ ghÐp nèi m¸y tÝnh víi c¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi, c¸c m¹ch ®iÖn øng dông trong ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn víi cæng song song ta ph¶i t×m hiÓu c¸ch trao ®æi c¸ch trao ®æi víi c¸c thanh ghi th«ng qua sù s¾p xÕp vµ ®Þa chØ cña c¸c thanh ghi ®ã. C¸c ®­ßng dÉn cña cæng song song ®­îc nèi víi 3 thanh ghi 8 bit kh¸c nhau: + Thanh ghi d÷ liÖu: cã ®Þa chØ c¬ së lµ 0x387 ®èi víi cæng LPT1 vµ 0x278 ®èi víi cæng LPT2 +Thang ghi ®iÒu khiÓn: cã ®Þa chØ c¬ së +1 + Thanh ghi tr¹ng th¸i: cã ®Þa chØ c¬ së +2 Nh­ vËy, cã 8 ®­êng dÉn d÷ liÖu dÉn tíi thanh ghi d÷ liÖu, cßn 4 ®­êng dÉn ®iÒu khiÓn (Strobe, auto Linefeed, Reset, Select Input) dÉn ®Õn thanh ghi ®iÒu khiÓn, cuèi cïng lµ 5 ®­êng dÉn tr¹ng th¸i (Acknowledge, Busy, Paper Emty, Select, Error) dÉn ®Õn thanh ghi tr¹ng th¸i . Trong ®ã c¸c ®­êng dÉn phô trî dïng cho m¸y in cã 5 lèi vµo cña c¸c thanh ghi tr¹ng th¸i (Error, Select, Paper Empty, Ackowledge, Busy), tõ c¸c lèi vµo nµy cã mét tr¹ng th¸i ®­îc ®äc vµ lÊy ®¶o (Busy) .C¸c ®­êng dÉn nµy ®Òu t­¬ng thÝch TTL, nghÜa lµ cac slèi vµo hë m¹ch ®­îc xem lµ ®Æt lªn møc High, do ®ã chuyÓn m¹ch cã thÓ ®­îc thùc hiÖnmét c¸ch ®¬n gi¶n lµ nèi víi mass. Cßn ®Þa chØ cæng (§CCS+2) cho phÐp truy cËp lªn thanh ghi ®iÒu khiÓn víi 4 ®­êng phô trî (Strobe, Auto linefeed, RÕt, Select Input) qua ®ã c¸c th«ng tin ®iÒu khiÓn ®­îc xuÊt tõ m¸y tÝnh sang m¸y in nh­ng ®ång thêi 4 ®­êng dÉn nµy còng cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó ®äc. D÷ liÖu ®­îc xuÊt ra qua c¸c lèi ra cùc gãp hë. C¸c ®iÖn trë cã trÞ gi¸ kho¶ng 3.3KW nèi c¸c lèi ra lªn nguån +5v. Khi xuÊt ra c¸c tr¹ng th¸i High, c¸c ®­êng dÉn cã ®iÖn trë t­¬ng ®èi cao vµ cã thÓ chuyÓn sang tr¹ng th¸i Low b»ng m¹ch ®iÖn bªn ngoµi. Mçi tr¹ng th¸i ®iÒu ®­îc ®äc trë l¹i qua c¸c lèi vµo TTL, do ®ã 4 ®­êng dÉn nµy cã thÓ sö dông theo hai h­íng d÷ liÖu. Khi ®ã ta cÇn ph¶i chó ý lµ 3 trong sè c¸c ®­êng dÉn (Strobe, Auto Linefeed, Select Input ) ®ùoc lÊy ®¶o vµ chØ cã mét ®­êng dÉn cßn l¹i (Reset) ®­îc gi÷ nguuyªn. 3.GhÐp nèi m¸y tÝnh qua cæng song song. Giao diÖn song song cã kh¶ n¨ng xuÊt ra 8 bit d÷ liÖu cïng mét lóc, th«ng th­êng qua giao diÖn m¸y in cã thÓ ®iÒu khiÓn, ch¼ng h¹n c¸c m¹ch logic hoÆc c¸c bé ®Öm c«ng suÊt (chÞu dßng lín). Tr¸i ng­îc víi viÖc xuÊt ra nèi tiÕp, viÖc xuÊt ra cæng song song víi mét lÖnh cæng ®¬n gi¶n nh­ng cùc nhanh, chÝnh v× ®¨c tÝnh nµy mµ nã ®­îc øng dông ®Ó t¹o ra c¸c tÝn hiÖu Analog tÇn sè thÊp nh­ng víi chÊt l­îng cùc cao. Bªn c¹nh ®ã nã cßn ®­îc sö dông ®Ó ®iÒu khiÓn nh÷ng m¸y mãc ®¬n gi¶n. §Ó cã thÓ ghÐp nèi m¸y tÝnh qua cæng song song, ngoµi ph¶i biÕt chÝnh x¸c ®Þa chØ cña tæng ®µi, ta cßn ph¶i quan t©m ®Õn cæng lµ lo¹i mét h­íng hay hai h­íng. Së dÜ ta quan t©m ®Õn ®iÒu nµy bëi v× trong c¸c m¸y tÝnh ®êi míi cæng song song cã kh¸c h¬n so víi cæng song song tiªu chuÈn ë trªn. Cô thÓ lµ thanh ghi d÷ liÖu vµ thanh ghi ®iÒu khiÓn (trong nh÷ng ®iªu kiÖn nhÊt ®Þnh) chØ lµ mét h­íng, nghÜa lµ d÷ liÖu chØ cã thÓ trao ®æi( ®äc hoÆc ghi) theo mét chiÒu. ChÝnh v× ®iÒu nµy ®· g©y kh«ng mÊy hÊp dÉn ®èi víi nh÷ng øng dông ®o l­êng, ®iÒu khiÓn. Tr­íc hÕt ®Ó cã thÓ kÓ ®Õn sù h¹n chÕ ®¸ng kÓ khi sö dông cæng song song vµo môc ®Ých ®o l­êng bëi v× ta ph¶i ®äc c¸c g¸i trÞ sè ®· ®­îc biÕn ®æi tõ c¸c gi¸ trÞ ©nlog. Tuy nhiªn, ta cã thÓ gi¶i quyÕt ®­îc b»ng mét vµi thñ thuËt trong phÇn cøng vµ phÇn mÒm, cho dï cã thÓ cã nh÷ng h¹n chÕ. H×nh 18. Giao diÖn song song dïng cho mét qua tr×nh ®iÒu khiÓn H×nh 19. Giao