Đồ án Điều khiển động cơ điện 1 chiều

chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao và tỉ lệ với tốc độ động cơ, không bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với biến đổi đại l−ợng đo. Điện áp một chiều phát ra không phụ thuộc vào tải và nhiệt độ. Để đảm bảo yêu cầu trên máy phát tốc một chiều phải có từ thông không đổi trong toàn vùng điều chỉnh tốc độ. Vì vậy phải hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ có từ trễ hẹp và sử dụng lá thép kĩ thuật điện mỏng (hạn chế tổn thất dòng điện xoay). Nh−ợc điểm của máy phát tốc một chiều là độ chính xác phụ thuộc vào phụ tải. Mặt khác nhiệt độ cuộn dây thay đổi ảnh h−ởng tới điện trở phần ứng máy phát làm điện áp ra của máy phát thay đổi (do điện áp rơi ở mạch phần ứng thay đổi). Điện áp đầu ra của máy phát còn bị thay đổi do điện trở của chổi than. ảnh h−ởng của phản ứng phần ứng tới hệ số tỷ lệ (nhất là khi ở vùng tốc độ cao). 3.3 Đo tốc độ bằng xung và số Máy phát tốc độ xung phát ra Z xung trong 1 vòng quay, tần số xung ra: Π= 2 .ωZf Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng Đo tốc độ xung th−ờng dùng hai loại: Dùng điện từ Dùng bán dẫn quang Hình 4.2: Đo tốc độ xung bằng đầu đo điện từ. Hình 4.3: Đo tốc độ xung bằng đầu đo quang điện Để đánh giá chiều quay, ta phải dùng hai đầu đo đặt lệch nhau 90 0. Nh− vậy trên đầu ra của nó ta nhận đ−ợc hai tín hiệu lệch nhau 90 0 điện. Để nâng cao độ chính xác ng−ời ta cần tăng số l−ợng xung trong một vòng quay. Tuy nhiên việc tăng số vạch chia để tăng số l−ợng xung trong một vòng quay sẽ bị giới hạn bởi độ tác động nhanh của phần tử quang điện hoặc phải tăng kích th−ớc của đĩa đo. Nếu hai giới hạn này bị giới hạn ng−ời ta thiết lập mạch nhân xung để tăng số xung trên đầu ra. Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng Nếu nh− trong hệ điều khiển số truyền động điện cần lấy số liệu bằng số tín hiệu tốc độ, th−ờng ng−ời ta dùng máy phát tốc xung sau đó biến đổi ra số và đ−a vào máy tính. 3.4 Ph−ơng pháp hồi tiếp dòng điện Trong các hệ thống truyền động tự động cũng nh− các hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là xác định mômen kéo của động cơ. Ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc. 3.4.1 Đo dòng điện một chiều có cách ly Yêu cầu đặt ra cho các bộ đo dòng điện một chiều là ngoài việc đảm bảo về độ chính xác còn phải đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển. Ng−ời ta th−ờng dùng ph−ơng pháp biến điệu để truyền tín hiệu một chiều từ sơ cấp sang thứ cấp có cách ly bằng biến áp hoặc phần tử quang điện. Mạch đo bao gồm khâu biến điện, khâu chỉnh l−u nhạy pha, tín hiệu đo đ−ợc sóng biến điện chuyển qua biến thế. Thông th−ờng sóng biến điện có tần số cao do vậy biến thế ở đây dùng lõi ferit nên giảm kích th−ớc thiết bị. Để nhiễu xoay chiều không ảnh h−ởng lớn tới bộ điều chỉnh ta phải chọn tần số dao động lớn hơn m−ời lần tần số cơ bản bộ chỉnh l−u. Sơ đồ đo cách ly các đại l−ợng một chiều dùng bán dẫn quang điện. Gồm mạch dao động xung tam giác đối xứng, mạch so sánh, mạch truyền xung và mạch tích phân. Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng Hình 4.4: Mạch nguyên lý đo cách ly đại l−ợng một chiều Đồ thị biểu diễn quá trình đo đại l−ợng một chiều bằng bộ biến điện bề rộng xung dùng khuếch đại thuật toán. Hình 4.4.Biểu đồ thời gian quá trình đo đại l−ợng một chiều 3.4.2 Đo dòng xoay chiều Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng Sơ đồ đo dòng xoay chiều ba pha đơn giản là dùng biến dòng. Gồm 3 biến dòng lắp ở 3 pha với điện trở tải R0. Hình 4.5: Mạch đo dòng xoay chiều 3 pha Điện áp sơ cấp biến dòng qua mạch chỉnh l−u cầu điôt ba pha, mạch lọc RC lọc thành phần xoay chiều sau chỉnh l−u. Điện áp đầu ra chỉnh l−u. d1d2 IRU = trong đó: 2d I 23 I Π= Trong mạch bố trí R1 nối tiếp với D0 phục vụ việc đo tín hiệu dòng điện không U2I0. Khi điôt dẫn U2I0 = 0,5V. Hàm truyền cơ cấu đo dòng điện. I I 1 I2 I pTf1 K )p(I )p(U )p(F +== trong đó: = hệ số tỷ lệ IK iIRP : tỉ số biến dòng. IP = RC : hằng số thời gian bộ lọc ITf Có thể dùng 2 biến dòng để đo dòng điện xoay chiều 3 pha. Tuy nhiên khi dùng đo xoay chiều sẽ có sai số. Nguyenvanbientbd47@gmail.com Hà Ngọc Thắng Sai số tỷ số truyền: 1 12I 1 I IIP −=δ Sai số về pha do I2 lệch pha so với I1. Nếu dùng điện trở tải R1 càng nhỏ thì sai số càng nhỏ. Tuy vậy cần chú ý không dùng mạch đo dòng xoay chiều bằng biến dòng ở tần số thấp. Mạch đo biến dòng th−ờng truyền sóng điều hoà bậc cao tốt hơn biến áp. Nếu dùng biến dòng trên đầu ra của biến tần sẽ có chế độ dòng gián đoạn gây quá áp nên nhất thiết phải nối điện trở bảo vệ R0 ( R0 << R1). Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Ch−ơng 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 nh− quá trình điều khiển và chỉ thị phần lớn đ−ợc thực hiện theo ph−ơng pháp số. Trong khi đó tín hiệu trong tự nhiên lại biến đổi liên tục theo thời gian, nghĩa là có dạng t−ơng tự. Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu t−ơng tự và các hệ thống xử lý số, ng−ời ta dùng các mạch chuyển đổi t−ơng tự - số (ADC - Analog Digital Converter) nhằm biến đổi tín hiệu t−ơng tự sang số hoặc dùng các mạch chuyển đổi số - t−ơng tự (DAC - Digital Analog Converter) trong tr−ờng hợp cần biến đổi tín hiệu số sang t−ơng tự. 4.2 Chuyển đổi t−ơng tự - số (ADC – Analog Digital Converter) 4.2.1 Nguyên tắc làm việc của ADC Nguyên lý làm việc của ADC đ−ợc minh hoạ trên sơ đồ khối. Hình 5.1: Sơ đồ khối nguyên tắc làm việc của ADC Tín hiệu t−ơng tự UA đ−ợc đ−a đến mạch lấy mẫu, mạch này có hai nhiệm vụ: • Lấy mẫu những tín hiệu t−ơng 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 l−ợng tử hoá và mã hoá). Quá trình l−ợng tử hoá Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng thực chất là quá trình làm tròn số. L−ợng tử hoá đ−ợc thực hiện theo nguyên tắc so sánh tín hiệu cần chuyển với các tín hiệu chuẩn. Mạch l−ợng tử hoá làm nhiệm vụ rời rạc tín hiệu t−ơng tự về mặt biên độ. Trong mạch mã hoá, kết quả l−ợng tử hoá đ−ợc 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 l−ợng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thời, lúc đó không thể tách rời hai quá trình , phép l−ợng tử hoá và mã hoá đ−ợc 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 t−ơng tự ở đầu vào, độ chính xác của bộ chuyển đổi, tốc độ chuyển đổi. - Dải biến đổi của điện áp tín hiệu t−ơng tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà số từ 0 đến một số d−ơng 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 tr−ng cho độ chính xác của ADC là độ phân giải. Tín hiệu ở đầu ra của một ADC là các giá trị đ−ợc 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) t−ơng 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 đ−ợc 28 mức trong dải biến đổi điện áp vào của nó. Nh− 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 nh−: méo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không, sai số l−ợng tử hoá. - Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, đ−ợc gọi là tần số chuyển đổi fc. Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi Tc để đặc tr−ng cho tốc độ chuyển đổi. Với một ADC th−ờng 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 ng−ợc lại. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng - 4.2.3 Các ph−ơng pháp chuyển đổi t−ơng tự - số Có nhiều cách phân loại ADC, nh−ng 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 ph−ơng pháp điển hình. 4.2.3.1 Chuyển đổi A/D theo ph−ơng pháp song song Nguyên tắc hoạt động. Tín hiệu t−ơng tự UA đ−ợc đồng thời đ−a đến các bộ so sánh từ S1 đến Sm. Điện áp chuẩn Uch đ−ợc đ−a 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 l−ợng 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 đ−ợc nối với mạch AND, một đầu mạch AND đ−ợc nối với mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung nhịp đ−a đến đầu vào AND thì các xung trên đầu ra của bộ so sánh mới đ−a vào mạch nhớ Flip_Flop (FF). Nh− vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng chu kỳ xung nhịp lại có một tín hiệu đ−ợc biến đổi và đ−a đến đầu ra. Xung nhịp đảm bảo quá trình so sánh kết thúc mới đ−a xung nhịp vào bộ nhớ. Bộ mã hoá sẽ biến đổi tín hiệu và d−ới dạng mã đếm thành mã nhị phân. Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh nên đ−ợc gọi là ADC nhanh nh−ng kết cấu của mạch rất phức tạp ví dụ nh− ADC n bits cần phải dùng -1 bộ so sánh. Vì vậy ph−ơng pháp này chủ yếu dùng trong các ADC có tốc độ chuyển đổi cao nh−ng số bit nhỏ. n2 Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi A/D theo ph−ơng pháp song song. 4.2.3.2 Chuyển đổi A/D theo ph−ơng pháp bù Hình 5.3: Mạch nguyên lý A/D theo nguyên tắc bù Tại thời điểm ban đầu bộ đếm đ−ợc đặt ở trạng thái không bởi xung Cl, nh− 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 đ−ợc đ−a vào mạch đếm. Mạch đếm làm việc cho ra tín hiệu số từ Q0…Qm-1 đồng thời Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng 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 đ−ợc xếp vào bộ ghi. Tiếp theo bộ đếm đ−ợc 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 nh− bộ đếm nhị phân có m bits thì điện áp vào cực đại UmaxA: 12U mAmax −= Điện áp UA đ−ợc l−ợng tử theo gia số: 12 U U m Amax A −=∆ Điện áp UA đ−ợc diễn tả bằng ph−ơng trình. N. 12 U U m Amax A −=∆ Trong đó N là tổng số b−ớc của bộ đếm và dung l−ợng của nó đầy sau khi kết thúc qúa trình đếm. Thời gian biến đổi n A f N T = Trong đó fn là tần số xung nhịp. Thời gian biến đổi phụ thuộc độ lớn điên áp. Tốc độ thay đổi điện áp có thể đạt giá trị cực đại. nm maxAn m maxAA max A f 12 U N f . 12 N.U T U dt dU −=∆− ∆=∆ ∆=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ Nếu tốc độ biến đổi điện áp UA lớn hơn tốc độ cực đại thì phát sinh sai số động của bộ biến đổi. Sai số tĩnh của bộ biến đổi là sai số l−ợng tử ± ∆ U. Để giảm thời gian biến đổi, ở bộ đếm nhị phân ta sử dụng mạch điều khiển ch−ơng 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. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng 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, t−ơng tự nh− 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 t−ơng - tự (DAC –Digital Analog Converter) 4.3.1 Nguyên tắc làm việc của DAC Chuyển đổi số t−ơng tự là quá trình tìm lại tín hiệu từ n số hạng (n bits) đã biết của tín hiệu số. Bộ chuyển đổi số t−ơng 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. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Hình 5.6: Tín hiệu ra bộ ADC theo thời gian. Tín hiệu này đ−ợc đ−a qua bộ lọc thông thấp. Đầu ra của bộ lọc là tín hiệu t−ơng tự UA biến 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 đ−a 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 t−ởng 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 l−ợng 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 Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý biến đổi D/A với mạng điện trở trọng l−ợng. Khi một khoá điện nào đó đ−ợc nối với nguồn điện thế chuẩn thì sẽ cung cấp cho bộ khuếch đại thuật toán dòng điện c−ờng độ là: i ch i 2.R U I = ( i = 0..n-1). C−ờng 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 đ−ợc nối với Uch tức là phụ thuộc vào giá trị của bit t−ơng ứng trong tín hiệu số đ−a vào mạch chuyển đổi. Mạch có −u điểm là đơn giản, nh−ng nh−ợc 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 nh− nhau theo môi tr−ờng của các điện trở này. Chế tạo các điện trở theo đúng tỉ lệ chính xác nh− vậy th−ờng 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. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng 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 đ−ợc một số nh−ợc điểm của DAC mạng điện trở trọng l−ợng. 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 l−ợng cần tìm là Ith vào mạch khuếch đại khi có một số chuyển mạch nối với Uch. Lúc đó ta có: fthra R.IU −= . Xét tại chuyển mạch t−ơng ứng với bit thứ i, nút t−ơng ứng trên mạch là nút 2i. Khi bộ chuyển đổi đóng vào Uch thì điện thế t−ơng đ−ơng tại nút 2i sẽ là Uch/ 2 và nguồn t−ơng đ−ơng có nội trở là R (theo định lý Thevenin). Nh− vậy tại nút 2i+1 ta có nguồn t−ơng đ−ơng trị số là Uch/ 4 và nội trở là R. 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. Nh− 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 t−ơng ứng là Uch/(2k.2R). Tại nút 2n-1 do đặc tính của khuếch đại thuật toán mà điện thế tại đây đ−ợc 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. ( )002n2nin1nn fchra B2.....B2B2R2RUU +++−= −−−− Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Trong đó B0 ữ Bn-1 có giá trị 0 hoặc 1. Các DAC theo ph−ơng pháp này phải dùng số điện trở khá lớn, ví dụ nh− DAC n bit thì phải dùng 2(n-1) điện trở, trong khi theo ph−ơng pháp điện trở trọng l−ợng chỉ phải dùng n điện trở. Nh−ng 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 đ−ợc đảm bảo. 4.4 Thiết kế card chuyển đổi AD - DA 4.4.1 Lựa chọn ADC và DAC trong ph−ơng án thiết kế DAC dùng để chuyển đổi tín hiệu số từ máy tính thành tín hiệu t−ơng 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 đ−a 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 nh− thế nào để vừa đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật đề ra lại vừa đảm bảo tính khả thi của ph−ơng án thiết kế (giá thành của card vừa phải, các linh kiện lắp ráp có sẵn ở thị tr−ờng 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 đ−ợc 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 tr−ng cho độ chính xác của ADC, DAC là độ phân giải có liên quan chặt chẽ đến số bit của nó. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng 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 t−ơng thích với các họ vi xử lý thông dụng trên thị tr−ờng. Để đạt đ−ợc 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 t−ơng thích Tr−ớc khi một Card mở rộng đ−ợc cài đặt trong rãnh cắm của một máy tính PC thì địa chỉ cổng vào/ra cần phải đ−ợc lựa chọn. Việc lựa chọn địa chỉ cơ bản này rất quan trọng bởi vì mỗi Card mở rộng đ−ợc cắm vào bản mạch chính của máy tính đều phải có một địa chỉ vào ra duy nhất. Thông th−ờng bus PC dự tính một vùng 1024 địa chỉ vào ra. Việc định từng vùng địa chỉ cho máy tính đã đ−ợc IBM chuẩn hoá, ứng với mỗi vùng địa chỉ có chức năng riêng mà các thiết bị ngoại vi khác không đ−ợc xâm phạm đến. Vì vậy vùng vào ra của một Card mở rộng không đ−ợc 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. Điạ chỉ vào/ra (Hex) Chức năng 000 - 00F Bộ điều khiển DMA 1(8232). 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) 080 -09F Thanh ghi trang DMA (LS 670). 0A0 – 0BF Bộ điều khiển ngắt 2 (8259). 0C0 – 0FF Bộ điều khiển DMA 2 (8237). 0E0 – 0FF Dự trữ cho bản mạch chính. 0F8 – 0FF Bộ đồng xử lý 80*87. 1F0 – 1F8 Bộ điều khiển đĩa cứng. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng 200 - 20F Cổng dùng cho trò chơi (game). 278 - 27F Cổng song song 2 (LTP 2). 2B0 – 2DF Card EGA 2. 2E8 – 2EF Cổng nối tiếp 4 (com 4). 2E8 – 2FF Cổng nối tiếp 2 (com 2). 300 - 31F Card mở rộng cho ng−ời sử dụng. 320 - 32F Bộ điều khiển đĩa cứng. 360 - 36F Cổng nối mạng (LAN). 378 - 37F Cổng song song 1 (LTP 1). 380 - 38F Cổng nối tiếp đồng bộ 2. 3A0 – 3AF Cổng nối tiếp đồng bộ 1. 3B0 – 3BF Màn hình đơn sắc. 3C0 – 3CF Card EGA 3E8 – 3EF Công nối tiếp 3 (com 3). 3F0 – 3F7 Bộ điều khiển đĩa mềm. 3F8 – 3FF Cổng nối tiếp 1 (com 1). Sơ đồ địa chỉ vào/ra sử dụng cho máy tính IBM và t−ơng 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 th−ờng: Dùng để chứa ch−ơng trình và số liệu (code, stack, data) của ch−ơng 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 đ−ợc liên hệ với CPU qua các cổng. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Sự phân chia này giúp cho ng−ời 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). Tín hiệu Tên Mô tả 0 – A19 Bus địa chỉ (vào / ra). 20 bits thấp hơn của bus địa chỉ hệ thống AEN Cho phép địa chỉ (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 t−ơi lại đang đ−ợc điều khiển trên các bus. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng 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 Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng Hình 5.11: Sơ đồ ADC 0809 ADC 0809 là bộ biến đổi A/D 8 bits chế tạo theo công nghệ CMOS, biến đổi theo nguyên tắc xấp xỉ liên tiếp. Bộ dồn 8 kênh có thể tiếp cận trực tiếp đến các tín hiệu t−ơng tự ở đầu vào. Vi mạch gồm 28 chân, trong đó có 8 chân vào cho tín hiệu t−ơng tự từ IN0 đến IN7. 8 chân ra cho tín hiệu số từ D0 đến D7, 3 chân A0, A1, A2 cho phép giải mã chọn một trong 8 kênh đầu vào t−ơng tự. Chân CLOCK có tác dụng đ−a xung nhịp cho quá trình lấy mẫu. Chân START cho biết bắt đầu giải mã khi trình biến đổi. Chân ENABLE ở mức logic cao cho phép đ−a số liệu ra từ D0 đến D7. Các thông số của vi mạch. - Độ phân giải 8 bits. - Nguồn cung cấp đơn 5VDC. - Thời gian biến đổi 100às. - 8 kênh đầu vào. - Đầu ra 3 trạng thái có chốt. - Dải điện áp vào t−ơng tự 0 ữ 5 V. - Công suất tiêu thụ 15mW. - Các lối ra t−ơng thích với TTL. Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng - Giải nhiệt độ 400C ữ 850C. Tám kênh lối vào analog từ IN0 ữ IN7 đ−ợc chọn nhờ ba lối vào địa chỉ A0, A1, A2. Khi đó việc lựa chọn tuân theo bảng sắp xếp d−ới đây. A2 A1 A0 Kênh vào 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 4.4.3.2 Vi mạch chuyển đổi số - t−ơng tự DAC 0808 Hình 5.12: Sơ đồ DAC 0808 DAC 0808 là bộ biến đổi số - t−ơng tự 8 bits với thời gian đ−a dòng ra lớn nhất là 150 ns trong khi chỉ tiêu thụ 33mW với nguồn ± 5V. Các thông số của vi mạch: Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng - Độ chính xác 0,19%. ± - Dải điện áp cung cấp 4,5V ữ ± ± 18V. - Thời gian biến đổi 150ns. - Tiêu thụ năng l−ợng ít: 33mW (± 5V). - Dải điện áp đầu vào số: - 10V ữ +18V - Cổng vào không đảo giao tiếp đ−ợc với TTL và CMOS. 4.4.3.3 Vi mạch giải mã địa chỉ 74LS138 Hình 5.13: Sơ đồ 74LS138 Bảng chân lý chỉ ra chỉ có một trong tám đầu ra của vi mạch giải mã có mức logic 0 tại một thời điểm. Để cho phép vi mạch hoạt động đ−ợc thì 3 đầu vào cho phép E1, E2, E3 phải cùng tích cực. Mức tích cực của hai đầu vào E1, E2 là mức logic 0 còn đầu vào E3 là mức logic 1. Khi 74LS138 hoạt động các đầu vào địa chỉ A, B, C chọn đầu ra nào thì đầu ra đó trở thành mức thấp. Bảng chân lý của vi mạch giải mã 74LS138. Đầu vào cho phép Đầu vào địa chỉ Đầu ra giải m∙ Nguyenvanbientbd47@gmaill.com Hà Ngọc Thắng E1 E2 E3 C B A Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 1 x x x x x 1 1 1 1 1 1 1 1 x 1 x