Giáo trình Điện tử ứng dụng - Nguyễn Văn Hiệp

153 trang cucquyet12 5160

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điện tử ứng dụng - Nguyễn Văn Hiệp", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_dien_tu_ung_dung_nguyen_van_hiep.pdf

Nội dung text: Giáo trình Điện tử ứng dụng - Nguyễn Văn Hiệp

2010 ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM THS. NGUYỄN VĂN HIỆP ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay có thể nói lãnh vực điện tử đã và đang mang đến cho chúng ta những sản phẩm công nghệ cải thiện đáng kể trong đời sống vật chất và tinh thần. Các ứng dụng của nó trở nên quá gần gũi và nhƣ là một nhu cầu gần nhƣ không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Các sản phẩm tồn tại và đang hoàn thiện phát triển một cách nhanh chóng. Thử tƣởng tƣợng một ngày nào đó bỗng dƣng xung quanh ta không còn chiếc tivi, máy vi tính, máy điện thoại, nồi cơm điện, máy điều hòa hay một cái máy quạt thì cuộc sống bỗng trở nên “khó khăn” hơn đến mức nào?! Tuy nhiên mặc dù những thiết bị trên thân thuộc, gần gũi nhƣ thế nhƣng hầu hết ngƣời sử dụng không biết bên trong nó là gì, nguyên lý hoạt động ra sao, Đó cũng là điều dễ hiểu bởi vì đâu phải ngƣời sử dụng nào cũng có kiến thức, sự hiểu biết nhất định về lãnh vực điện tử. Quyển sách này không mang tham vọng sẽ đƣa đến cho ngƣời đọc những kiến thức bách khoa, toàn diện, chuyên sâu về tất cả các thiết bị điện tử hiện nay vì đó là điều không thể! Quyển sách đƣợc thiết kế cho sinh viên hệ không chuyên (lãnh vực điện tử) nhƣ ngành Kỹ thuật công nghiệp, cơ khí, công nghệ thông tin , nó trang bị cho ngƣời đọc một phần những kiến thức cơ bản, nền tảng và đƣợc trình bày sao cho dễ đọc, dễ hiểu và không quá trừu tƣợng. Mặc dù nội dung không chuyên sâu nhƣng qua quyển sách ngƣời đọc có thể hiểu đƣợc những linh kiện cơ bản, các ứng dụng và phát triển của nó. Vì thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn quyển sách này còn rất nhiều sai sót, rất mong sự góp ý chân thành của quý thầy cô, đồng nghiệp và các bạn sinh viên. Liên hệ email: thewind030282@gmail.com Tác giả Ths. Nguyễn Văn Hiệp 1
Chƣơng 1 Các Linh Kiện Giao Tiếp Trong phần này, các kiến thức đƣợc trình bày cơ bản, không quá chuyên sâu về mặt lý thuyết nhƣng nó đem đến ngƣời đọc một sự khái quát cần thiết và có thể vận dụng. Sau chƣơng này, ngƣời đọc có khả năng: - Nhận dạng đƣợc các sơ đồ mạch, mô tả hoạt động và tính toán ngõ ra bộ khuếch đại đảo, không đảo, bộ cộng (Op-amp) và mạch khuếch đại transistor lƣỡng cực. - Nhận dạng sơ đồ mạch tích phân, mạch vi phân dùng Op-amp và vẽ dạng sóng ngõ ra khi tín hiệu ngõ vào khác nhau đƣợc đƣa vào. - Với các tín hiệu vào cho trƣớc, vẽ kết quả ngõ ra của mạch khuếch đại vòng hở, khuếch đại sai biệt và bộ so sánh dạng số. - Mô tả khả năng tạo dạng sóng và đặc tính hoạt động của mạch Schmitt trigger. - Giải thích cách đóng ngắt của transisstor và thyristor bán dẫn, vẽ tín hiệu ngõ ra bộ điều chế. - Lắp ráp mạch đơn ổn và dao động đa hài dùng mạch tích hợp 555 và tính toán để xác định ngõ ra. Giải thích đƣợc nguyên lý hoạt động của mạch. 2
1 BỘ KHUẾCH ĐẠI: Độ khuếch đại là một hàm điều khiển đƣợc sử dụng bởi nhiều loại thiết bị công nghiệp. Khuếch đại bao gồm việc chuyển đổi tín hiệu yếu trở thành tín hiệu công suất cao. Ví dụ, ngõ ra của bộ điều khiển, chẳng hạn nhƣ bộ vi xử lý máy tính, dùng để điều khiển một van servo đòi hỏi tín hiệu điều khiển lớn để vận hành. Bộ khuếch đại đƣợc thực hiện bởi một vài thiết bị ở trạng thái rắn. Một số bộ khuếch sẽ đƣợc mô tả bao gồm transistor lƣỡng cực và bộ khuếch đại thuật toán. 1.1 Transistor Transistor đƣợc cấu trúc xếp, một lớp mỏng của một loại vật liệu bán dẫn nằm giữa hai lớp của một loại vật liệu bán dẫn loại khác. Ví dụ, transistor NPN hình 2-1(a) cấu tạo bởi một lớp vật liệu P (positive) nằm giữa hai lớp vật liệu N (negative). Transistor PNP hình 2-1(b) có dạng ngƣợc lại. Ba lớp này đƣợc định nghĩa gồm emitter (E)(cực phát), base (B)(cực nền), và collector (C)(cực thu). Hình 1-1(c) là ký hiệu cấu trúc của NPN và PNP transistor. Điểm khác nhau duy nhất là sự định hƣớng mũi tên cực E. Mũi tên cực E của transistor NPN hƣớng từ B sang E, trong khi transistor PNP có hƣớng ngƣợc lại. Transistor có hai mối nối PN nên đƣợc gọi là transistor lƣỡng cực. Một mối nối đƣợc cho là base-emitter, mối nối còn lại là base-collector. Để bộ điều khiển hoạt động, hai mối nối PN phải có một chênh lệch điện áp DC. Hình 1-1: Transistor lưỡng cực Hình 1-2, transistor NPN với mối nối B-E phân cực thuận và mối nối B-C phân cực nghịch. Dòng điện chạy qua mối nối B-E có hƣớng nhƣ phân cực thuận diode, từ cực âm sang cực dƣơng của nguồn 1. Tuy nhiên, nếu vùng B mỏng và có tạp chất thì nó có giới hạn số lƣợng lỗ trống. Cho nên sẽ chỉ có một số ít phần trăm trong tổng số electron ở cực E liên kết với lỗ trống chảy qua cực B. Số electron còn lại không có chỗ để đi ngoại trừ đi xuyên qua mối nối B-C. Chúng tiếp tục đi qua vùng C đến cực dƣơng của nguồn 2. Khi điện áp nguồn 1 thay đổi thì dòng điện qua cực B thay đổi. Độ lớn dòng điện cực B quyết 3
định điện trở giữa E và C. Điện áp tại B càng cao thì dòng điện qua B càng nhiều tƣơng ứng với điện trở giữa E-C càng thấp. Transistor hoạt động giống nhƣ vòi nƣớc ở Hình 1-3. Cực E là ngõ vào, C là ngõ ra. Cực B là van điều khiển dòng điện chảy qua. Dòng B-E điều khiển đƣờng dòng điện chính giữa E và C. Một vài mili-ampe của dòng B có thể điều khiển vài trăm mili-ampe của dòng điện C. Hình 1-2: Sự phân cực của transistor NPN Hình 1-3: Transistor hoạt động như vòi nước. 4
- Thay thế cho việc dùng nguồn pin để phân cực cho mối nối transistor, một mạng điện trở và một nguồn DC (hình 2-4(a)) đƣợc sử dụng. Điện trở R1 và R2 là mạch phân áp cung cấp điện áp cho cực B. Điện trở RL mắc nối tiếp với trasistor dẫn điện. Tín hiệu ngõ vào Vin cấp vào cực B. Ngõ ra bộ khuếch đại đƣợc xác định là giữa cực C và mass, kết quả là điện áp tại C biến thiên. - Khi Vin càng dƣơng, thể hiện giữa thời gian T1 và T2 của dạng sóng trong Hình 1-4(b), dòng điện B tăng lên. Dòng điện C tăng lên, độ sụt áp Ic.Rc cũng tăng, làm cho điện áp cực C giảm xuống (vì Vout = Vcc – Ic.Rc). Tƣơng tự, khi điện áp ngõ vào giảm xuống, dòng điện B thấp, dòng điện C giảm. Kết quả là Ic.Rc giảm nên điện áp cực C tăng lên. 5
Hình 1-4: Bộ khuếch đại Transistor NPN. - Dạng sóng thể hiện sự đảo pha 180 độ giữa điện áp vào và tín hiệu ngõ ra. Dạng sóng chỉ ra sự khuếch đại từ khi điện áp biến đổi nhỏ ở ngõ vào làm cho điện áp biến đổi lớn ở ngõ ra. Điện áp dƣơng càng cao cấp cho transistor NPN làm cho transistor càng dẫn mạnh. Khi điện áp đạt mức ngƣỡng cao, transistor sẽ ở chế độ bão hòa vì nó không thể dẫn đƣợc dòng điện cao hơn nữa. Khi đó điện áp gần bằng 0V sẽ đƣợc đọc ở ngõ ra. Giống nhƣ vậy, khi ngõ vào giảm điện áp, B-E không thể phân cực thuận và dòng điện C cũng không còn. Điện trở giữa E-C tăng đến vô cực. Chế độ đó gọi là chế độ ngắt do Transistor giảm điện áp cung cấp, giống nhƣ một công tắc mở. - Một transistor PNP hoạt động theo hƣớng ngƣợc lại. Điện áp âm cấp vào ngõ vào B làm cho transistor dẫn mạnh. điện áp dƣơng sẽ làm transistor dẫn yếu hơn. Tóm lại: Ở phần này, tác giả chỉ muốn nhắc lại nguyên tắc cơ bản nhất hoạt động của một transistor lƣỡng cực. Những phần tính toán các mạch khuếch đại cụ thể không phải mục đích chính ở phần này. 1.2 Bộ khuếch đại thuật toán: Một bộ khuếch đại rất linh hoạt là bộ khuếch đại thuật toán: operational amplifier (op-amp). Op-amp phổ biến nhất là uA741 đƣợc tích hợp sẵn trong một IC 8 chân. Nó có 3 đặc tính quan trọng của Op-amp là tạo ra các bộ khuếch đại lý tƣởng có: o Tổng trở ngõ vào cao. o Hệ số khuếch đại điện áp cao. o Tổng trở ngõ ra thấp. Hình 1-5 thể hiện ký hiệu chuẩn của op-amp uA741. Đƣợc biểu diễn bởi hình tam giác, op-amp có hai ngõ vào gắn ở cạnh bên trái và một ngõ ra gắn ở đỉnh của hình tam 6
giác. Thông thƣờng, op-amp có hai chân cấp nguồn riêng biệt. Một chân gắn ở cạnh trên tam giác, kết nối với nguồn dƣơng, chân còn lại nối với nguồn âm. Hai nguồn này cho phép điện áp ngõ ra dao động với một trong hai điện áp âm hoặc dƣơng so với mass. Hình 1-5: Ký hiệu chuẩn cưa OP-AMP Một ngõ vào có dấu trừ gọi là ngõ vào đảo, vì bất cứ tín hiệu DC hay AC cấp vào nó cũng bị đảo pha 180 độ ở tín hiệu ngõ ra. Ngõ vào còn lại có dấu cộng gọi là ngõ vào không đảo; bất cứ tín hiệu DC hay AC cấp vào nó cũng cùng pha với tín hiệu ở ngõ ra. Khi linh kiện ngoài kết nối với ngõ vào và ngõ ra, op-amp có khả năng làm việc với nhiều chức năng . Cách kết nối linh kiện sẽ xác định chức năng làm việc của op-amp. 1.2.1 Bộ khuếch đại đảo: Đặc tính của op-amp là có thể khuếch đại điện áp khoảng 200,000 lần. Tuy nhiên, điện áp ngõ ra không thể vƣợt quá 80 phần trăm điện áp nguồn cung cấp. Ví dụ, điện áp tối đa ở ngõ ra của op-amp ở hình 1-5 là +5V và -5V vì điện áp nguồn là +6.26V và - 6.25V. Cho nên, nó chỉ khuếch đại từ 25uV ngõ vào thành +5V hay -5V ở ngõ ra tùy thuộc vào chiều phân cực tín hiệu ngõ vào và đầu cấp tín hiệu đƣa đến opamp. Tuy nhiên, op-amp đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng yêu cầu độ khuếch đại điện áp nhỏ hơn 200,000. Trong kỹ thuật gọi đó là hồi tiếp (Feedback) đƣợc dùng để điều khiển độ khuếch đại của thiết bị, nó đƣợc hình thành bằng cách nối điện trở từ ngõ ra trở đến một ngõ vào. Mạch hồi tiếp âm đƣợc thể hiện bởi hình 1-6. Nó hoạt động nhƣ sau: o Cả hai ngõ vào đều có trở kháng cao; cho nên nó không cho phép dòng điện chạy vào hoặc ra. 7
Hình 1-6: Khuếch đại đảo Áp dụng định luật K1 tại nút VG ta có : IIN = IF Mà VG = V+ = 0 v nên ta có o Điện áp ở ngõ vào trừ gọi là “0-volt virtual ground” (tạm dịch là mass 0V ảo) (vì nó tác động giống nhƣ mass 0V). Ngõ vào cộng kết nối với mass 0V thực tế. o Vì điểm VG là 0V, có điện áp 2V rơi trên điện trở 2 kilohm (Rin) và dòng điện chạy qua là 1mA. o Dòng điện 1mA không thể chạy vào bên trong op-amp, do đó nó chạy qua điện trở hồi tiếp 10 kilohm (RF) và tạo nên điện áp 10V đặt trên 2 đầu RF. o Vì Vout đƣợc đo so với mass ảo nên điện áp là -10V - Độ lợi điện áp của op-amp đƣợc xác định bằng công thức: - Độ khuếch đại của mạch khuếch đại đảo liệt kê ở hình 1-6, vì tín hiệu 2V đặt lên ngõ vào đƣợc đảo thành -10V ngõ ra. Đặt điện áp âm tại ngõ vào bộ khuếch đại sẽ tạo nên điện áp dƣơng ở ngõ ra. Độ khuếch đại bị ảnh hƣởng bởi tỉ số giữa điện trở RF và Rin. RF càng lớn so với Rin thì độ khuếch đại càng lớn. - Điện áp ngõ ra có thể xác định bằng công thức: 8
- Bảng 1-1 cung cấp ví dụ về bộ khuếch đại đảo với độ khuếch đại 10 lần với nhiều giá trị điện áp ngõ vào. Bảng 1-1 1.2.2 Bộ khuếch đại cộng: Khi hai hay nhiều ngõ vào đƣợc nối với nhau và cùng đặt lên ngõ vào của bộ khuếch đại op-amp, bộ khuếch đại cộng đƣợc hình thành. Dạng khuếch đại này có thể cộng đại số các tín hiệu DC và AC. Mạch điện hình 1-7 là mạch khuếch đại cộng đảo. Nó bao gồm điện trở hồi tiếp RF 20kΩ, ba điện trở 20kΩ mắc đồng thời và nối chung với nhau vào ngõ vào đảo của op-amp, ba nguồn +2V, +1V, +3V cấp đến đầu còn lại của 3 điện trở. Sự tính toán trên sơ đồ thể hiện cách xác định điện áp tại ngõ ra. Dòng điện của mỗi ngõ vào đƣợc tính toán sau đó cộng lại thu đƣợc kết quả là dòng điện chạy qua RF. Tiếp đến điện áp ngõ ra đƣợc xác định bằng phép nhân IRF với RF. Hình 1-7: Bộ khuếch đại cộng đảo. 9
Công thức điện áp ngõ ra của mạch điện trên có thể đƣợc chứng minh đơn giản nhƣ sau: Áp dụng định luật K1 tại VG ta có: I1 + I2 + I3 = IF Ta có VG = 0 V = V+ Nên Bảng 1-2 cung cấp ví dụ về bộ khuếch đại cộng đảo nhiều giá trị điện áp ngõ vào. Bảng 1-2 10
1.2.3 Bộ khuếch đại không đảo: Một số ứng dụng đòi hỏi tín hiệu ngõ ra bộ khuếch đại phải cùng pha với tín hiệu ngõ vào. Ngƣời ta dùng op-amp kết nối nhƣ sau: đƣa tín hiệu vào tại ngõ vào không đảo của op-amp, trong khi đƣờng hồi tiếp điều khiển độ khuếch đại đƣợc kết nối từ ngõ ra đến ngõ vào đảo qua điện trở RF. Một đầu điện trở Rin gắn vào ngõ vào không đảo, đầu còn lại nối với mass. Hình 1-8 thể hiện sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại không đảo. độ khuếch đại của mạch ảnh hƣởng bởi điện trở RF và Rin. Công thúc xác định độ khuếch đại (Gain) nhƣ sau: Điện áp ngõ ra đƣợc xác định bằng công thức: Độ khuếch đại luôn lớn hơn 1 Bảng 1-3 cho ví dụ về giá trị của mạch khuếch đại không đảo ở hình 1-8 với nhiều giá trị điện áp ngõ vào. Hình 1-8: Mạch khuếch đại không đảo. 11
Bảng 1-3 Sinh viên tự chứng minh công thức tính điện áp ngõ ra của mạch khuếch đại không đảo. 2. BỘ XỬ LÝ TÍN HIỆU Bộ xử lý tín hiệu là thiết bị đặc biệt làm thay đổi hoặc điều chỉnh các tín hiệu đƣợc đặt tại ngõ vào. Các tín hiệu ngõ ra của thiết bị có thể đƣợc sử dụng với những chức năng riêng biệt. Ba bộ xử lý tín hiệu sẽ đƣợc mô tả là: mạch tích phân, mạch vi phân và mạch Schmitt trigger 2.1 Mạch tích phân dùng op-amp: Mạch tích phân là một mạch khuếch đại, nó tăng liên tục hệ số khuếch đại trong một khoảng thời gian của chu kỳ tín hiệu. Độ lớn ngõ ra thuận tỉ lệ với khoảng thời gian mà tín hiệu ngõ vào đang tồn tại. Mạch tích phân có cùng dạng mạch với mạch lọc thông thấp. Nên có thể xem mạch tích phân dùng op amp là một dạng đặc biệt của mạch lọc thông thấp tích cực. Mạch Hình 1-9 thể hiện sơ đồ nguyên lý của mạch xử lý tín hiệu dùng op-amp. Mạch tƣơng tự với mạch khuếch đại đảo. Điểm khác biệt là tụ điện thay thế điện trở làm phần tử hồi tiếp. Dạng sóng biểu diễn bởi hình 1-9(b) minh họa hoạt động của mạch khi có các nguồn DC khác nhau đặt lên ngõ vào. 12
Hình 1-9: Mạch tích phân dùng op-amp Khi điện áp ngõ vào thay đổi từ 0V đến 5V, tại thời điểm T1 của dạng sóng, tụ điện lúc ban đầu có điện áp thấp vì nó không đƣợc nạp. Độ khuếch đại của op-amp là zero vì tỷ số của điện trở hồi tiếp với điện trở ngõ vào bằng 0. Điều này đƣợc diễn tả bởi công thức của mạch khuếch đại đảo: VOUT = RFB/RIN.Vin Khi tụ điện bắt đầu nạp điện, trở kháng tăng. Vì điện trở hồi tiếp tăng lên nên tỉ số CFB/RIN tăng lên. Kết quả là ngõ ra của op-amp tăng lên gần nhƣ tuyến tính. Bởi vì, ngõ vào đảo đƣợc sử dụng, dạng sóng ngõ ra bị đảo lại. Thậm chí, dạng sóng có thể ở dạng nằm ngang vì op-amp bị bão hòa, thể hiện ở thời gian T2 của biểu đồ. Tại thời gian T3, điện áp ngõ vào thay đổi từ 5V về 0V. Tụ điện ngƣng nạp làm cho ngõ ra trở về 0V. Nếu đặt điện áp âm ở ngõ vào, tín hiệu sẽ tăng dƣơng lên ở ngõ ra. Nếu đặt vào sóng vuông thì dạng sóng răng cƣa đƣợc tạo thành ở ngõ ra, biểu diễn ở hình 1-9(c). Khoảng giá trị ngõ ra bị ảnh hƣởng bởi giá trị của tụ điện và điện trở Rin. 13
Dạng sóng ngõ ra đƣợc tính nhƣ sau: (Trong đó, Vin và Vout là các hàm số theo thời gian, Vinitial là điện áp ngõ ra của mạch tích phân tại thời điểm t = 0.) 2.2 Mạch vi phân dùng op-amp: Có thể nói nôm na, Mạch vi phân là mạch khuếch đại tạo tín hiệu ngõ ra tỉ lệ với tốc độ thay đổi của tín hiệu ngõ vào. Mạch vi phân là một dạng đặc biệt của mạch lọc thông cao tích cực. Mạch vi phân dùng Hình 1-10(a) biểu diễn sơ đồ nguyên lý của mạch vi phân dùng op-amp. Cấu tạo của nó khác với mạch tích phân vì tụ điện thay thế điện trở ngõ vào trong khi phần tử hồi tiếp là điện trở. Biểu đồ dạng sóng đƣợc biểu diễn ở hình 1-10(b) minh họa sự đáp ứng của mạch vi phân khi các tín hiệu ngõ vào khác nhau. Khi ngõ vào đảo đƣợc sử dụng, tín hiệu ngõ ra sẽ đáp ứng theo chiều ngƣợc lại của tín hiệu ngõ vào. 14
Hình 1-10: Mạch vi phân dùng op-amp Khi điện áp ngõ vào là DC và phần còn lại là hằng số, biểu diễn trong khoảng thời gian T1 đến T2 của dạng sóng, ngõ ra mạch vi phân là 0V. Nếu ngõ vào thay đổi chậm, tốc độ thay đổi ổn định, ngõ ra sẽ là hằng số nhỏ của điện áp DC, biểu diễn trong khoảng thời gian T2 đến T3. Nếu ngõ vào thay đổi nhanh, tốc độ thay đổi ổn định, ngõ ra sẽ là hằng số khá lớn của điện áp DC, biểu diễn trong khoảng thời gian T3 đến T4. Khi sóng răng cƣa cung cấp cho ngõ vào thì một sóng vuông đƣợc tạo ra ở ngõ ra (hình 1-10(c)). Hình 1-10(d) biểu diễn khi sóng vuông cấp cho ngõ vào thì một chuỗi sóng gai đƣợc tạo ra ở ngõ ra. Cực tính của gai nhọn đƣợc xác định khi có sự thay đổi âm-dƣơng của sóng vuông. Ngõ ra của mạch vi phân có thể được xác định theo công thức sau: (Trong đó, Vin và Vout là các hàm số theo thời gian) Mạch tích phân và mạch vi phân thƣờng đƣợc sử dụng để điều khiển ngõ ra bộ tác động các hệ thống tự động khép kín. 2.3 Mạch nắn sóng Schmitt Trigger: Mạch Schmitt Trigger là mạch dùng để tạo ra tín hiệu sóng chữ nhật. Nó thƣờng chuyển đổi sóng sin hay dạng sóng bất kỳ thành tín hiệu có định dạng sóng vuông. Nó khôi phục lại sóng vuông đã bị biến dạng trong quá trình truyền dẫn, các quá trình sau đó 15
đòi hỏi dạng sóng vuông đã đƣợc định hình. Mạch Schmitt Trigger sử dụng hồi tiếp bên trong để tăng tốc quá trình chuyển đổi. Nó sử dụng hiệu ứng trễ, nghĩa là ngƣỡng chuyển mạch của tín hiệu ngõ vào theo hƣớng dƣơng ở giá trị điện áp cao hơn ngƣỡng chuyển mạch của tín hiệu ngõ vào theo hƣớng âm. Mạch Schmitt Trigger chuyển đổi những tín hiệu sau đây thành tín hiệu có dạng sóng chữ nhật: Sóng AC điện áp thấp. Tín hiệu với độ tăng chậm, nhƣ là sản phẩm của việc nạp và xả của tụ điện, bộ chuyển đổi cảm biến nhiệt độ . Hình 1-11(a) minh họa hoạt động chuyển đổi của bộ chuyển đổi Schmitt Trigger thể hiện cách thiết lập lại đặc tính trễ của sóng vuông biến dạng. Hình 1-11: Schmitt Trigger 16
Hoạt động: - Khoảng thời gian 1: mức logic 0 đƣợc phát hiện ở ngõ vào và mức 1 phát sinh ở ngõ ra đảo. - Khoảng thời gian 2: mức logic 1 đƣợc phát hiện ở ngõ vào nếu điện áp vào vƣợt quá 1.7V theo chiều dƣơng của mức ngƣỡng làm cho ngõ ra chuyển sang mức logic 0. Chú ý rằng những gai nhọn gồ gề trong tín hiệu ngõ vào là do nhiễu hạ thấp dƣới 1.7V tạo nên độ trễ suốt khoảng thời gian 2. Ngõ ra sẽ không thay đổi nếu tín hiệu vào không thấp hơn 0.9V theo chiều âm của mức ngƣỡng. - Khoảng thời gian 3: mức logic 0 đƣợc công nhận ở ngõ vào nếu điện áp vào hạ thấp hơn 0.9V theo chiều âm của mức ngƣỡng làm cho ngõ ra chuyển sang mức logic 1. Chú ý rằng những gai nhọn gồ gề trong tín hiệu ngõ vào là do nhiễu tăng cao hơn 0.9V tạo nên độ trễ suốt khoảng thời gian 3. Ngõ ra sẽ không thay đổi nếu tín hiệu vào không tăng cao hơn 1.7V theo chiều dƣơng của mức ngƣỡng. Ký hiệu logic cho bộ chuyển đổi Schmitt Trigger biểu diễn ở hình 1-11(b). Nó bao gồm một dạng sóng trễ thu nhỏ bên trong ký hiệu để chỉ ra đó là mạch Schmitt Trigger thay thể cho bộ chuyển đổi bình thƣờng. 3. BỘ SO SÁNH: Chức năng của bộ so sánh là tạo ra một tín hiệu sai lệch ở ngõ ra, đƣợc xác định bởi sự khác nhau giữa hai ngõ vào. Tín hiệu vào và ra có thể là tín hiệu số hoặc tƣơng tự. Bộ so sánh và bộ khuếch đại vi sai đều có thể so sánh tín hiệu tƣơng tự, và các bộ so sánh độ lớn so sánh các tín hiệu số. Điều này sẽ đƣợc đề cập đến ở phần dƣới. 3.1 So sánh dùng Op amp: Hình 1-12 thể hiện một op-amp hoạt động so sánh điện áp. Thiết bị này so sánh điện áp tại đặt trên 1 ngõ vào với điện áp trên 1 ngõ vào khác. Sự chênh lệch giữa các điện áp tại ngõ vào làm cho ngõ ra op-amp bão hòa hoặc là +5V hoặc -5V. Chiều phân cực ngõ vào đƣợc xác định bằng cực tính điện áp đặt trên các ngõ vào của op-amp. Khi điện áp đặt trên ngõ vào đảo càng dƣơng hơn điện áp tại ngõ vào không đảo, ngõ ra sẽ chuyển thành điện áp -5V bão hòa. Giống nhƣ vậy, khi điện áp đặt trên ngõ vào đảo càng âm hơn điện áp tại ngõ vào không đảo, ngõ ra sẽ chuyển thành điện áp +5V bão hòa. Tuy nhiên, khi điện áp hai ngõ vào có biên độ bằng nhau thì ngõ ra bằng 0. 17
Hình 1-12: Bộ khuếch đại so sánh. Công thức sau đây cung cấp một cách tóm tắt ngắn gọn hoạt động của bộ khuếch đại so sánh: Điện áp ngõ vào đảo điện áp ngõ vào không đảo = điện áp dƣơng ngõ ra. Điện áp ngõ vào đảo = điện áp ngõ vào không đảo = điện áp ngõ ra bằng 0. Bảng 1-4 cho ví dụ về các hoạt động của op-apm nhƣ là một bộ so sánh với nhiều điện áp ngõ vào. Bảng 1-4: Hoạt động của bộ so sánh Op Amp Có rất nhiều Op amp có thể dùng để hoạt động tốt nhƣ một mạch so sánh, các IC op amp thông dụng nhƣ 741, TL081, TL082, Tuy nhiên ở đây tác giả xin giới thiệu loạt IC hoạt động so sánh với bù Offset thấp: 18
Và hoạt động của mạch mạch so sánh cơ bản nhƣ sau: Hình 1.12(s) : Hoạt động so sánh của LM139 3.2 Bộ khuếch đại vi sai: Bộ khuếch đại vi sai (hình 1-13) tìm ra hiệu số đại số giữa hai điện áp ngõ vào. Cả ngõ vào đảo và ngõ vào không đảo đều không nối mass. Thay vào đó, tín hiệu đƣa vào cả hai ngõ vào cùng một lúc và hiệu số giữa chúng đƣợc khuếch đại. Nếu tín hiệu giống nhau thì ngõ ra bằng 0. Hình 2-13 Mạch khuếch đại vi sai. (tất cả điện trở bằng 10kΩ) Áp dụng nguyên lý xếp chồng ta sẽ xác định đƣợc Vout: - Xét trƣờng hợp V2 = 0 ta có mạch khuếch đại đảo với tín hiệu vào là V1 nên: Vout1 = - ( RF/RA ). V1 20
- Xét trƣờng hợp V1 = 0 ta có mạch khuếch đại không đảo, với tín hiệu đƣa vào đầu cộng của op amp chính là tín hiệu V2’ đƣợc phân áp từ V2: Khi đó tín hiệu ngõ ra là Vout2: Vout2 =. V2’ Từ đó ta xác định đƣợc Vout nhƣ sau: Vout = Vout1 + Vout2 Vout = ( 1 + RF/RA) ( - ( RF/RA ). V1 Nếu chọn RF = RA = RB = RN thì Vout = V2 – V1 Chú ý rằng, mạch sử dụng hệ hồi tiếp vòng kín, với kết quả là điện áp ngõ ra đƣợc điều khiển. Nếu tất cả điền trở bên ngoài bằng nhau thì không có sự khuếch đại trong mạch. Thay vào đó, mạch khuếch đại điện áp vi sai thực hiện phép trừ đại số. Ví dụ, 3V đạt vào ngõ vào đảo và 6V đạt vào ngõ vào không đảo thì hiệu điện áp giữa chúng là 3V đƣợc tạo nên ở ngõ ra. Ngõ ra có thể tính theo công thức sau đây: Nếu điện áp ngõ vào đảo càng âm hơn điện áp ngõ vào không đảo thì ngõ ra sẽ dƣơng, và ngƣợc lại. Bảng 1-5 cho ví dụ về các ngõ vào khác nahu và kết quả điện áp ngõ ra của mạch hình 1-13. 21
Bảng 1-5 Nếu tỉ số giá trị các điện trở trong mạch thay đổi, mạch khuếch đại vi sai sẽ khuếch đại. Điện áp ngõ ra có thể xác định bằng công thức bên trên. 3.3 Bộ so sánh giá trị số: Bộ so sánh này có thể so sánh hai số nhị phân và chỉ ra một số lớn hơn, nhỏ hơn hoặc bằng số kia. Hình 1-14 biểu diễn sơ đồ của bộ so sánh 4bit. Nó có 4 đƣờng tín hiệu vào A, 4 đƣờng tín hiệu vào B và 3 đƣờng trạng thái ngõ ra. Ngõ ra A>B sẽ lên mức cao nếu A lớn hơn B; ngõ ra A B. Nếu chỉ 4bit đƣợc so sánh thì ngõ vào A=B đƣợc nối mức cao, hai ngõ còn lại nối mức thấp. Hình 1-15(b) và (c) là sơ đồ chân và bảng giá trị của IC 7485. 22
Nhiều IC 7485 có thể kết nối với nhau để so sánh số nhị phân lớn hơn 4bit. Sơ đồ khối hình 1-16 trình bày các hai IC 7485 ghép nối tầng để so sánh hai số nhị phân 8bit. 4bit thấp của mỗi số 8bit nối vào A0-A3 và B0-B3 của bộ so sánh bên trái, 4bit cao của mỗi số 8bit nối vào A0-A3 và B0-B3 của bộ so sánh bên phải. 3 ngõ ra A B của bộ so sánh 4 bit thấp nối tƣơng ứng với 3 ngõ vào mở rộng A B của bộ so sánh 4 bit cao. Hình 1-15: IC 7485 23
Hình 1-16: Bộ so sánh 8bit. 4 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN BÁN DẪN: Nhiều hoạt động trong công nghiệp đòi hỏi phải điều khiển công suất điện cung cấp cho tải. Linh kiện khống chế công suất đƣợc cho là cơ cấu điều khiển. Tải có thể là motor, hệ thống làm nóng, mạch công suất . Cách hiệu quả để điều khiển công suất là đóng ngắt điện bằng bán dẫn. Chúng chuyển đổi tín hiệu điện áp thấp từ bộ điều khiển thành điện áp cao ổn định, nguồn dòng lớn cho tải. Bởi vì bán dẫn là một phần của ứng dụng điều khiển, hoạt động của chúng sẽ đƣợc mô tả trong phần này. 4.1 Chuyển mạch transistor: Transistor thƣờng đƣợc dùng làm mạch khuếch đại. Tuy nhiên, nó có thể tạo chuyển mạch một cách hữu hiệu. Để sử dụng nhƣ một công tắc chuyển mạch, transistor đƣợc điều khiển bởi dòng Ib, làm cho nó hoạt động luân phiên ở chế độ đóng ngắt và điều kiện bão hòa. Hình 1-17 thể hiện cực base nối đất. Nếu không phân cực thuận mối nối B-E, sẽ không có điện áp hình thành dòng điện nền (base current). Kết quả là transistor ngắt lý tƣởng, không có kết nối giữa cực C và cực E. Điều đó có thể đƣợc xác định là transistor có dẫn điện hay không bằng cách đo điện áp trên giữa cực C và mass. Chỉ số thể hiện giá trị điện áp nguồn. 24
Hình 1-17: Transistor sử dụng như một chuyển mạch. Hình 1-17(b) biểu diễn sự phân cực thuận của mối nối B-E khi cực B nối với điện trở RA. Nếu dòng điện nền (base current) đủ lớn thì, dòng điện collector sẽ đạt giá trị cực đại hay bão hòa. Với điều kiện trên, một cách lý tƣởng,coi nhƣ ngắn mạch giữa cực C và cực E, điều này chỉ ra rằng transistor hoàn toàn bật (ON). Thay thế cho việc dùng switch tại cực nền, tín hiệu đã đƣợc điều khiển có thể đƣợc cung cấp bởi vi xử lý, máy vi tính, bộ điều khiển có thể lập trình, hay mạch điện tử (hình 1- 18). Ở đây, ngõ vào transistor là tín hiệu 5V từ bộ điều khiển, là lý do làm cho transistor bão hòa. Ngõ vào 0V sẽ điều khiển transistor chuyển sang chế độ ngắt (cut off). Điện trở Rb giói hạn dòng điện nền ở giá trị an toàn. Điện trở Rc thể hiện một tải nhƣ là rơ-le hay động cơ. 25
Hình 1-18: Transistor chuyển mạch on-off bằng bộ điều khiển. 4.2 Thyristor Transistor có nhiều hạn chế. Ví dụ, chúng có thể điều khiển dòng thấp, thiết bị điện áp thấp nhƣ là rơ-le, cuộn dây, động cơ DC điện áp thấp, động cơ bƣớc Một phƣơng pháp hiệu quả để điều khiển nguồn điện chuyển tới tải bằng cách dùng thiết bị chuyển mạch on-off có tên là Thyristor. Cái tên này xuất phát từ đèn phóng điện khí thyratron (the thyratron gas-tube) có cùng đặc điểm. Thyristor bật và giữ sau khi nó đƣợc kích hoạt bằng tín hiệu tức thời ngõ vào. Đặc điểm này tạo cho thyristor khả năng điều khiển nguồn công suất lớn cấp cho tải trong khi nguồn điều khiển kích hoạt rất nhỏ. Thyristor đƣợc dùng cho tải sử dụng nguồn cấp cả điện áp DC và AC. 4.2.1 DC Thyristor 4.2.1.1 Silicon-Controlled Rectifier (SCR - bộ nắn điện silicon) Một dạng tải sử dụng nguồn DC là động cơ DC. Động cơ DC thƣờng đƣợc dùng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ chính xác và mômen xoắn không đổi. Sự điều chỉnh hay thay đổi tốc độ hoặc mô men xoắn của động cơ DC xác định bằng cách thay đổi giá trị điện áp đặt vào động cơ. Tăng điện áp nguồn có thể làm động cơ tăng tốc độ hay mô men xoắn bằng cách rút dòng. Giảm điện áp nguồn sẽ làm tốc độ động cơ chậm lại hay giảm mô men xoắn hay cả hai. 26
Phƣơng pháp thông thƣờng để điều chỉnh điện áp động cơ là thay đổi điện áp nguồn thành những đoạn xung ngắn DC. Sự chỉnh lƣu và xén sử dụng thyristor có tên là “silicon-controlled rectifier” (SCR). SCR là thiết bị có 4 lớp với ba đầu cực: anode, cathode, và gate (cực cổng) ở hình 1-19. Nó hoạt động tƣơng tự một diode thông thƣờng, dòng điện chạy qua chỉ khi phân cực thuận và bị khóa nếu phân cực nghịch. Cho nên SCR có thể dùng để chỉnh luu. Tuy nhiên, sự dẫn của SCR không xảy ra cho đến khi nó đƣợc phân cực thuận và kích hoạt bằng cực gate. Một cực gate có thể kích hoạt SCR dẫn, nó hoạt động nhƣ một cái chốt chuyển mạch. Khi cực Gate không còn điều khiển SCR, thì SCR vẫn dẫn nếu dòng điện chạy qua SCR không giảm thấp hơn một giá trị xác định cụ thể(đối với từng loại SCR). Giá trị dòng điện đó đƣợc gọi là dòng duy trì. Hình 1-19: SCR Hình 1-20 miêu tả cách SCR điều khiển nguồn cung cấp cho động cơ đa năng. Một kỹ thuật đƣợc gọi là điều khiển pha đƣợc dùng để điều chỉnh góc dẫn SCR, đó là làm cho SCR chuyển mạch với tỷ lệ thời gian ON (dẫn) và thời gian OFF ( ngƣng dẫn) có thể điều chỉnh đƣợc, cho phép nguồn trung bình đến tải bị thay đổi. Thuật ngữ điều khiển pha đƣợc cho là mối quan hệ về thời gian giữa hai sự kiện. Trong trƣờng hợp này, nó chính là mối tƣơng quan về thời gian giữa sự xuất hiện xung kích và bán kỳ dẫn bắt đầu. 27
Hình 1-20: Pha điều khiển của SCR điều chỉnh tốc độ động cơ. Khi bán kỳ âm xuất hiện, SCR phân cực nghịch và sẽ không dẫn. Diode D2 phân cực thuận cho phép dòng điện vòng qua R1 và nạp điện cho tụ điện. Ngƣợc với quá trình nạp của tụ, dòng điện vào động cơ nhỏ không có tác dụng với động cơ. Khi bán kỳ dƣơng xuất hiện, điện áp xoay chiều bắt đầu tăng, SCR bắt đầu phân cực thuận, và tụ điện xả năng lƣợng đã nhận trong suốt bán kỳ âm. Ngay khi nó xả thì nó nạp điện theo chiều ngƣợc lại. Tốc độ nạp và xả đƣợc xác định bằng giá trị linh kiện của mạch RC. Khi điện tích dƣơng nạp vào bản trên của tụ điện đủ lớn, D1 phân cực thuận và cho phép dòng điện chạy vào cực gate và kích SCR. Kết quả là nguồn dòng cấp vào động cơ trong suốt thời gian còn lại của bán kỳ. Suốt bán kỳ âm tiếp theo, SCR phân cực nghịch và tắt, điện áp rơi trên động cơ bằng 0. SCR đƣợc bật trở lại tại thời điểm bán kỳ dƣơng kế tiếp. Nếu biến trở ở vị trí A, điện trở bằng 0 và tụ điện xả và nạp ngay lập tức. Kết quả là dòng điện chạy qua động cơ gần nhƣ 100% bán kỳ dƣơng. Khi biến trở điều chỉnh xuống dƣới, điện trở tăng lên, làm cho tụ điện xả và nạp chậm hơn. Kết quả là phát sinh thời gian trễ, làm giảm giá trị dòng điện vào động cơ. Sơ đồ A đến D hình 1-20 biểu diễn dạng sóng hiển thị trên dao động ký mà hằng số thời gian RC thay đổi bằng cách điều chỉnh vị trí cần gạt của R1. 28
4.2.1.2 Unijunction Transistor (UJT - transistor đơn mối nối) Có hai bất lợi khi sử dụng mạch RC để thi hành chức năng điều khiển pha cho SCR. Đầu tiên là tụ điện cần phải xả trƣớc khi nạp theo chiều ngƣợc lại. Nó chiếm toàn bộ 180 độ trong bán kỳ dƣơng. Thứ hai là nó đòi hỏi nguồn AC cấp nguồn cho tải. Một linh kiện bán dẫn có thể trên cơ sở SCR là unijunction transistor (UJT - transistor một lớp chuyển tiếp). Trong ứng dụng thực tiễn, thiết bị điều khiển nhƣ là vi xử lý, máy vi tính, thiết bi điều khiển có thể lập trình, cảm biến sản sinh ra tín hiệu điện áp thấp DC để bật SCR tại thời điểm chính xác. UJT đƣợc sử dụng để ghép nối bộ điều khiển với SCR công suất lớn. Cấu trúc UJT thể hiện ở hình 1-21(a). Nó đƣợc làm bằng tấm silicon loại N gọi là base, với một lƣợng nhỏ vật liệu loại P phủ lên. Các cực base kết nối với mỗi biên và đánh dấu là B1 (base 1) và B2 (base 2). Vật liệu loại P là emitter và đánh dấu là E (hình 1-21(b)). Nguồn cung cấp kết nối vào các cực base với cực âm là B1 và cực dƣơng là B2. Điện trở nội của base tạo ra độ chênh lệch điện áp hình 1-21(c). Bởi vì “thanh này” là bán dẫn, nó chỉ cho phép dòng điện nhỏ chạy qua. Cùng với điều đó, cực E và B1 có dạng là mối nối P-N của UJT. Một mạch tƣơng đƣơng ở hình 1-21(d) có đặc tính bên trong của một UJT. Điện trở giữa B1 và điểm X là rB1, và điện trở giữa B2 và điểm X là rB2. Tổng của hai điện trở này là RBB. Diode biểu diễn cho mối nối PN giữa emitter và vật liệu loại N. 29
Hình 1-21: UJT Điện áp phân cực đặt lên mối nối với cực E dƣơng hơn B1. Tại trạng thái bình thƣờng, không có dòng điện chạy từ B1 đến E. Khi điện áp phân cực đạt đến 7.7V ( VrB1 + VD), UJT bật (ON) làm tăng dòng điện chạy từ B1 đến B2, và từ B1 đến E. Dòng điện tiếp tục chạy qua cho đến khi điện áp phân cực mối nối hạ xuống thấp hơn 3V. UJT tắt (OFF) cho đến khi điện áp phân cực trở lại 7.7V. Mạch điện hình 1-22 minh họa hoạt động của UJT. Biến trở điều khiển tốc độ nạp của tụ điện. Khi điện áp tụ vƣợt quá 7.7V, vùng nghèo qua mối nối bị đánh thủng. Đƣờng xả điện của tụ xuyên qua mối nối và điện trở R1. Xung điện tăng đột ngột làm cho xung phát sinh chạy qua R1 đủ lớn để kích SCR bật. Khi tụ điện xả về điện áp dƣới 3V, UJT tắt, cho phép tụ bất đầu nạp lại. Mạch này đƣợc gọi là bộ dao động tích thoát (a relaxation oscillator), sản sinh ra dãy xung liên tiếp. Tần số đƣợc xác định bởi sự điều chỉnh biến trở và tính toán theo công thức bên trái sơ đồ. 30
Hình 1-22: Bộ dao động tích thoát (a relaxation oscillator). Hình 1-23(a) biểu diễn bộ điều khiển sử dụng để kích UJT khởi động SCR. Tín hiệu điều khiển đƣợc đồng bộ với sự bắt đầu của mỗi bán kỳ dƣơng cấp cho SCR. Khi dạng sóng AC qua điểm 0V theo chiều dƣơng, bộ định thời trong vi xử lý điều khiển phân cực bắt đầu. Bộ điều khiển đƣợc lập trình để sản sinh ra xung trong thời điểm đặc trƣng của bán kỳ để khởi động điện áp trung bình mong muốn. Hình 1-23(b) cung cấp dạng sóng mẫu chỉ ra bán kỳ mà xung xuất hiện, kết quả là tín hiệu nửa sóng và điện áp trung bình DC dạng xung đƣợc tạo ra. 31
Hình 1-23: Bộ điều khiển UJT. 32
4.2.2 AC Thyristor 4.2.2.1 Triac SCR sẽ dẫn dòng điện chỉ một chiều làm cho nó là thiết bị đơn hƣớng. Một số dạng tải dùng nguồn AC đòi hỏi nguồn dòng chạy qua cả theo cả hai hƣớng. Trong ứng dụng đòi hỏi điều khiển toàn bộ tín hiệu AC, thiết bị thyristor hai chiều có tên là TRIAC đƣợc sử dụng. Triac là SCR hai chiều với một cực gate. Đặc tính chuyển mạch của nó giống với nhau ở cả 2 chiều. Ký hiệu triac ở hình 1-24. Các cực của nó đƣợc đánh dấu là MT1 (main terminal 1), MT2, and G (gate). Khi điện áp đặt trên MT1 và MT2 một trong hai có cực tính, nó sẽ bắt đầu dẫn khi điện áp dƣơng hay âm đặt lên cực gate. Điện áp hiệu dụng đặt lên tải có thể thay đổi bằng cách thay đổi thời điểm cực gate của triac đƣợc kích trong bán kỳ. Hình 1-24: Ký hiệu Triac. 4.2.2.2 Diac Một loại Thyristor phát triển để kích Triac là DIAC. Diac là thiết bị hai chiều nhƣng không có cực gate. Ký hiệu của diac hình 1-25(a). Các cực của nó đƣợc đánh dấu là anode 1 và anode 2. Khi điện áp đầy đủ đặt lên các cực hoặc theo chiều này hoặc chiều kia và vƣợt quá 15V thì diac bật (ON). Suốt quá trình dẫn, nó có điện trở rất nhỏ để dòng chạy chạy qua. Trên mức kích, điện trở diac giảm và nó dẫn tại mức điện áp thấp hơn (khoảng 5V), dạng sóng môt tả hình 2-25(b). Hình 1-25: Diac bán dẫn. Mạch điều khiển pha cơ bản ở hình 1-26(a) thể hiện cách diac và triac điều khiển dòng điện vào động cơ AC. Một mạch RC hoạt động giống với chức năng điều khiển pha và đƣợc dùng trong mạch công suất SCR hình 1-20. Bằng cách điều chỉnh trên biển trở, thời gian nạp điện của tụ điện thay đổi. Khi nạp tụ điện vƣợt quá điện áp breakover của diac, nó sẽ đƣợc kích. Khi diac đƣợc bật (ON), nó kích triac dẫn. Hành động này xuất hiện 33
suốt cả hai bán kỳ âm và dƣơng. Dạng sóng của mạch gần đúng tại vị trí chiến lƣợc trên mạch hình 1-26(b). Nguồn điều khiển sự gia công bởi triac thì nhỏ hơn so với SCR. Tần số hoạt động của nó bị giới hạn xấp xỉ 400Hz. Đặc tính này thu hẹp ứng dụng dùng triac. Hình 1-26: Diac-triac điều khiển động cơ 34
Hình 1-26: Diac-triac điều khiển động cơ (tiếp theo) Theo sự liên tục của vấn đề, thì phần tiếp theo sẽ trình bài về bộ ghép quang-điện, tuy nhiên các vấn đề có liên quan đến các cảm biến quang nên đƣợc trình bày tách ra một chƣơng riêng. 5. THIẾT BỊ ĐỊNH THỜI: (Timing Device) Thiết bị định thời đƣợc sử dụng để tạo ra tín hiệu có dạng chữ nhật (đƣợc so sánh với tín hiệu sóng vuông chuẩn). Thiết bị định thời có thể phát ra chỉ một xung hoặc một chuỗi xung liên tục. Các xung đơn có thể đƣợc dùng để đặt trƣớc dữ liệu vào bộ nhớ hay xóa dữ liệu. Những tín hiệu này đƣợc tạo ra bởi bộ đa hài đơn ổn (monostable multivibrator). Chuỗi xung liên tục đƣợc dùng làm xung clock nhƣ “nhịp tim” của máy vi tính. Khi chúng đƣợc đƣa đến các thiết bị trên máy tính, tất cả sự kiện khắp hệ thống máy tính đều có thời gian chính xác và đồng bộ. Những tín hiệu này đƣợc tạo ra từ bộ đa hài tự dao động (astable multivibrator). Mạch tích hợp tuyến tính thiết kế đặc trƣng cho ứng dụng định thời là Chip IC 555. Sơ đồ chân của chip này ở hình 1-27. 35
Hình 1-27: IC 555. Với số lƣợng rất ít điện trở và tụ điện bên ngoài đƣợc kết nối với các chân khác nhau của IC 555, nó sẽ có tác dụng nhƣ là một bộ đa hài đơn ổn hoặc lƣỡng ổn. Hình 1- 28 thể hiện sơ đồ nguyên lý của mạch IC 555. Nó bao gồm các thành phần sau: Mạch chia điện áp: điện trở R1, R2, R3 đều bằng 5kΩ. Chúng tạo thành bộ chia điện áp phân cực ngõ vào đảo của bộ so sánh A tại 2/3 giá trị điện áp nguồn (3.3V), và ngõ vào không đảo bộ so sánh B tại 1/3 giá trị điện áp nguồn (1.65V). Bộ so sánh điện áp: Mỗi bộ so sánh có một ngõ vào kết nối với chân bên ngoài. Ngõ vào không đảo của bộ so sánh A kết nối với chân số 6, gọi là cực ngƣỡng (Threshold terminal). Ngõ vào đảo của bộ so sánh B kết nối với chân 2 gọi là cực kích (Trigger terminal). Ngõ ra bộ so sánh A mức thấp nếu điện áp cực ngƣỡng thấp hơn 3.3V. Ngõ ra bộ so sánh B mức thấp nếu điện áp cực kích thấp hơn 1.65V. Mức logic tại ngõ ra bộ so sánh điều khiển Flip-Flop. R-S Flip-Flop: ngõ ra bộ so sánh A kết nối ngõ vào R của flip-flop, và ngõ ra bộ so sánh b kết nối ngõ vào S của flip-flop. Ngõ ra của hai bộ so sánh không bao giờ chuyển mạch đồng thời. Chỉ ngõ ra Q\ (Q đảo) của R-S flip-flop đƣợc sử dụng. Chân Q\ kết nối với cực base của transistor và ngõ vào của bộ đệm ngõ ra. Khi ngõ ra bộ so sánh A lên mức cao sẽ làm cho Flip-flop reset, tạo mức logic cao ở ngõ ra Q\. Khi ngõ ra bộ so sánh B lên mức cao sẽ làm cho Flip-flop set, tạo mức logic thấp ở ngõ ra Q\. S R Q Q\ 0 0 Q0 Q0\ 0 1 0 1 1 0 1 0 36
Chuyển mạch ngõ ra của FF đƣợc cho nhƣ bảng bên trên, khi cả hai ngõ vào R và S đều bằng 1 ta bảo đây là trạng thái “cấm” bởi khi đó ngõ ra sẽ không đƣợc xác định. Transistor: transistor NPN hoạt động nhƣ một switch. Khi ngõ ra Q\ của flip-flop ở mức cao, transistor đƣợc bật và hoạt động nhƣ công tác đóng. Khi ngõ ra Q\ của flip- flop ở mức thấp, transistor tắt. Bộ đệm ngõ ra: chức năng của bộ đệm ngõ ra là tạo ra điện áp dòng cao đủ lớn để cung cấp tín hiệu cho mạch điện bên ngoài. Bộ đệm ở mức thấp khi Q\ mức cao, và chuyển sang mức cao khi Q\ mức thấp. Hình 1-28: Sơ đồ khối bộ định thời 555. 5.1 Bộ 555 dao động đa hài bất ổn: Bộ 555 dao động đa hài bất ổn đƣợc mô tả ở hình 1-28 có trạng thái ngõ ra không ổn định. Nó đƣợc kích hoạt bởi hệ mạch điện bên trong bản thân nó; do vậy, bộ tự dao động này không có tín hiệu ngõ vào. Khi nguồn đƣợc cấp, nó sẽ chuyển mạch tới – lui giữa hai trạng thái với một tốc độ mong muốn, tạo ra một sóng vuông ở ngõ ra. Hoạt động của bộ tự dao động nhƣ sau: 37
Giả sử: - Tụ điện đƣợc xả. - Bộ so sánh A ngõ ra mức thấp. - Bộ so sánh B ngõ ra mức cao. - Ngõ ra Q\ của Flip-flop ở mức thấp. - Transistor đóng. Do dó: Khi nguồn đƣợc cung cấp cho mạch, dòng điện sẽ đi qua mạch RC qua RA, RB và C. Khi tụ điện nạp tới 1.66 volts, điện áp này sẽ rơi trên ngõ vào trigger (chân 2) và vì thế ngõ ra của bộ so sánh B xuống mức thấp. Khi tụ điện nạp tới 3.34 volts, điện áp này rơi trên ngõ vào ngƣỡng (chân 6) và ngõ ra của bộ so sánh A lên mức cao. Ngõ vào S của Flip-flop ở mức thấp, ngõ vào R ở mức cao, nên ngõ ra Q\ lên mức cao. Ngõ ra Q\ lên mức cao làm cho ngõ ra của bộ đệm xuống mức thấp. Đồng thời, ngõ ra Q\ ở mức cao làm cho transistor dẫn, cho phép tụ xả điện qua RB. Tụ điện xả, khi điện áp của tụ nhỏ hơn 3.33 volts, điện áp này rơi trên cực ngƣỡng (6) sẽ làm cho ngõ ra của bộ so sánh A xuống mức thấp. Khi điện áp của tụ nhỏ hơn 1.65 volts tại ngõ vào trigger (2) sẽ làm cho ngõ ra của bộ so sánh B lên mức cao. Ngõ ra bộ so sánh A ở mức thấp, ngõ ra bộ so sánh B ở mức cao làm cho ngõ ra Q\ của Flip-flop xuống mức thấp. Ngõ ra Q\ xuống thấp làm cho ngõ ra của bộ đệm lên cao. Đồng thời, Q\ xuống thấp cũng làm cho transistor ngƣng dẫn, tụ điện sẽ nạp lại và bắt đầu chu kì tiếp theo. Tần suất đóng và dẫn của các thành phần bên trong của IC đƣợc xác định bởi giá trị của các linh kiện đƣợc kết nối bên ngoài với IC. Tần số sóng ngõ ra đƣợc xác định bởi công thức: 38
Ban đầu, tụ điện bên ngoài nạp thông qua RA và RB, sau đó thì xả qua RB. Thời gian nạp và xả của tụ đƣợc gọi là chu kỳ làm việc (duty cycle). Duty cycle là tỉ số giữa thời gian ngõ ra ở mức cao với tổng thời gian của một chu kỳ. Duty cycle đƣợc đặt một cách chính xác bởi tỉ số quan hệ của hai điện trở. Thời gian tụ nạp (ngõ ra bộ đệm ở mức cao) là T1, thời gian tụ xả (thời gian bộ đệm ở mức thấp) là T2, tổng thời gian của 1 chu kỳ là T. Các giá trị đó đƣợc tính theo công thức: Duty cycle là: Bởi vì, tụ điện nạp thông qua RA và RB, sau đó thì xả chỉ qua RB, nên duty cycle luôn luôn lớn hơn 50%, hình 1-29(a) mô tả dạng sóng ngõ ra. Tuy nhiên, điều ta mong muốn là có đƣợc một sóng vuông đối xứng, có nghĩa là thời gian nửa chu kỳ dƣơng bằng với nửa chu kỳ âm, nhƣ dạng sóng ở hình 1-29(b), nhƣ vậy duty cycle là 50%. Trạng thái này chỉ có thể đạt đƣợc nếu khoảng thời gian nạp và xả của tụ là nhƣ nhau. Bằng việc chọn RA và RB giống nhau, và đặt một diode ngang qua RB với anode nối với chân số 7 và cathode nối với chân số 6 thì ngõ ra sẽ là dạng sóng vuông đối xứng. Sự bố trí diode rẽ nhánh qua RB cho phép tụ nạp chỉ qua RA. Khi tụ xả, dòng điện bị khóa bởi thiên áp ngƣợc của diode, và chỉ chảy qua RB . Do dó, việc nạp và xả của tụ phải qua điện trở có giá tri giống nhau. Do phụ thuộc vào tỉ số quan hệ của RA và RB nên cho phép duty cycle thay đổi ở khoảng từ 5% đến 95%, nhƣ dạng sóng ở hình 1-29(c). 39
Hình 1-29: Dạng sóng của Duty cycle. 5.2 Bộ 555 dao động đa hài đơn ổn. Bộ dao động đa hài đơn ổn, đƣợc biết nhƣ là mạch dao động một xung (one-shot), đƣợc đăc trƣng chỉ có một trạng thái ổn định. Ngõ ra của nó thƣờng là 0. Khi tín hiệu trigger đƣợc cấp ở ngõ vào, ngõ ra sẽ thay đổi từ trạng thái bình thƣờng ổn định lên mức logic 1 (trạng thái không ổn định) trong một khoảng thời gian xác lập trƣớc khi quay trở về trạng thái ổn định. Tín hiệu trigger đƣợc đƣa đến từ một công tắc cơ khí hoặc từ một mạch khác. Khoảng thời gian của dao động đa hài đơn ổn còn lại trong trạng thái không ổn định đƣợc xác định bởi mạch định thời RC bên ngoài. Xung ngõ ra có thể dài hơn hoặc ngắn hơn xung ngõ vào. Hình 1-30 biểu diễn sự kết nối theo yêu cầu để IC 555 hoạt động ở chế độ một xung. Nó hoạt động nhƣ sau: 40
Giả sử: - Tụ điện đƣợc xả. - Ngõ ra khối so sánh A ở mức thấp. - Ngõ ra khối so sánh B ở mức thấp. - Ngõ ra Q\ của Flip-flop ở mức cao. - Transistor dẫn. - Ngõ ra của bộ đệm ở mức thấp. - Điện áp mức cao +5V đƣợc cấp ở ngõ vào trigger. Hình 1-30: Sơ đồ nguyên lý mạch định thời 555 với linh kiện ngoài tạo mach đa hài đơn ổn. Do đó: Trong lúc tín hiệu trigger đƣợc chuyển từ mức cao xuống mức thấp tạm thời điện áp 0 volt khi nút nhấn đƣợc nhấn, ngõ ra của bộ so sánh B sẽ lên mức cao. Mức thấp đƣợc cấp cho ngõ vào R của Flip-flop từ bộ so sánh A và mức cao đƣợc cấp cho ngõ vào S từ bộ so sánh B làm cho ngõ ra Q\ của Flip-fop xuống mức thấp. Ngõ ra Q\ của Flip-flop ở mức thấp làm cho ngõ ra của bộ đệm lên mức cao. 41
Đồng thời, mức thấp ở Q\ làm cho transistor ngƣng dẫn cho phép tụ điện bắt đầu nạp lại lên đến +Vcc. Khi tụ điện nạp tới 3.34 volts, ngõ ra của bộ so sánh A lên mức cao. Mức cao ở ngõ ra bộ so sánh A và mức thấp ở ngõ ra bộ so sánh B làm cho Fip- flop RS reset và Q\ lên mức cao. Mức cao ở Q\ làm cho ngõ ra của bộ đệm trở lại trạng thái thấp bình thƣờng và thời gian xung one-shot đƣợc hoàn thành. Ngõ ra Q\ ở mức cao kích cho transistor dẫn làm cho tụ xả. Khi tụ đƣợc xả, ngõ vào trigger chờ lần nhấn tiếp theo để tạo một xung khác. Tụ điện nap đạt tới giá trị 3.34 volts sau 1.1 lần thời hằng. Khoảng thời gian này xác định độ rộng xung ngõ ra one-shot. Khoảng thời gian của xung đƣợc tính bởi công thức: T = 1.1 RC với: T (s); R (Ω); C(F) Xung one-shot có thể điều chỉnh từ micro giây đến vài phút. 42
BÀI TẬP: 1. Transistor NPN sẽ dẫn mạnh bằng cách (tăng, giảm) điện áp dƣơng đặt vào cực base. 2. Điện áp (âm, dƣơng) đặt vào cực base của transistor NPN sẽ làm cho nó chuyển sang chế độ ngắt (cutoff); điện áp (âm, dƣơng) lớn đặt vào cực base của transistor PNP làm cho nó chuyển sang chế độ bão hòa. 3. Một mạch khuếch đại đảo có Rf=5kΩ và Rin= 1kΩ. Hệ số khuếch đại của mạch bằng bao nhiêu? 4. Điện áp ngõ ra của mạch điện hình 2-43 bằng bao nhiêu? Hình 2-43 5. Mạch khuếch đại không đảo với điện trở ngõ vào bằng 10kΩ và điện trở hồi tiếp bằng 50kΩ , điện áp ngõ vào là 0.4V. Tính điện áp ngõ ra. 6. Tại thời điểm tín hiệu ngõ vào đặt trên bộ tích phân thay đổi từ 0-3V, nó có độ lợi (lớn nhất, nhỏ nhất). 7. Khi tín hiệu mẫu hình răng cƣa đặt lên ngõ vào của bộ vi phân, tín hiệu sóng . đƣợc hình thành ở ngõ ra. 8. Quá trình ngƣỡng chuyển mạch theo chiều dƣơng của tín hiệu ngõ vào mạch Schmitt trigger thì cao hơn theo chiều âm thì đƣợc gọi là . 9. Điền vào bên trong mỗi dấu ngoặc dƣới đây với dấu hoặc = để diền tả cách op-amp hoạt động: a. Điện áp ngõ vào đảo ( ) điện áp ngõ vào không đảo = điện áp ngõ ra dƣơng. b. Điện áp ngõ vào đảo ( ) điện áp ngõ vào không đảo = điện áp ngõ ra bằng 0. c. Điện áp ngõ vào đảo ( ) điện áp ngõ vào không đảo = điện áp ngõ ra âm. 10. Giả sử giá trị tất cả điện trở kết nối với mạch khuếch đại sai biệt đều bằng nhau, điện áp ngõ ra bằng bao nhiêu nếu điện áp +3V đặt lên ngõ vào đảo và điện áp +3V đặt lên ngõ vào không đảo. 43
11. Có ba kết luận gì mà bộ so sánh độ lớn sử dụng khi so sánh hai số nhị phân khác nhau? 12. Triac đƣợc sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ AC. (Đúng hay sai) 13. Thyristor (SCR, triac) có thể gia công đƣợc đong điện có gái trị lớn. 14. UJT có thể kết nối trực tiếp với đọng cơ DC hoặc AC. (Đúng hay sai) 15. Diac là thiết bị hai chiều. (Đúng hay sai) 16. Mô tả ý nghĩa của cụm từ “optoisolator”. 17. Khi ánh sáng đập vào cực base của cảm biến quang điện phân cực . (thuận, nghịch) sẽ làm cho nó bật (on). 18. Duty cycle của sóng vuông là tỉ số của thời gian tại ngõ ra là mức (cao, thấp) với tổng thời gian của một chu kỳ. 19. Bằng cách nào mà mạch đa hài bất ổn 555 điều chế ra sóng vuông có duty cycle trong khoảng 5% - 95%. 20. Hình 1-28, tần số ngõ ra là bao nhiêu nếu RA = 100kΩ, RB = 10kΩ, và C = 10 μF? 21. Hình 1-30, khoảng thời gian của xung one-shot ở trạng thái không bền với RA = 2 kΩ, and C = 1 μF? 44
CHƢƠNG 2 CẢM BIẾN QUANG Đây là thiết bị cảm nhận tín hiệu ánh sáng, biến chúng thành tín hiệu điện giúp mạch điện xử lý tốt các tình huống trong thực tế. Ánh sáng ở đây phải đƣợc hiểu là ánh sáng với một dãy tần số rất rộng mà trong đó ánh sáng thấy đƣợc chỉ nằm trong một dãy tần số khá hẹp. Xem hình 1.1 sẽ thấy rõ hơn về các dãy tần của ánh sáng. Hình 2.1 Phổ của ánh sáng 1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện có thể đƣợc chia thành hai loại: hiệu ứng quang dẫn và hiệu ứng quang nối. Hiệu ứng quang dẫn(còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) Khi vật dẫn điện đƣợc ánh sáng rọi vào thì độ dẫn điện của nó sẽ thay đổi. Hƣớng thay đổi tuỳ thuộc vào tính chất của vật liệu cấu thành. Ví dụ: khi rọi sáng chất bán dẫn sẽ làm gia tăng các hạt tải điện đa số (lỗ trống và hạt electron), do đó tăng tính dẫn điện cho khối bán dẫn này, trong khi đó cũng làm nhƣ trên cho kim loại hay hợp kim thì lại làm giảm độ dẫn điện của vật dẫn. 45
Hiệu ứng quang nối Một mối nối P-N khi đƣợc rọi sáng sẽ phát ra một sức điện động. Sức điện động này tỉ lệ với cƣờng độ ánh sáng rọi vào mối nối và có giá trị ngƣỡng tuỳ thuộc vào vật liệu cấu thành nên mối nối (Silicium hay Germanium). 2. Quang trở: Là phần tử thụ động có giá trị điện trở phụ thuộc vào cƣờng độ chiếu sáng, còn đƣợc gọi là điện trở có giá trị tuỳ thuộc vào ánh sáng LDR (Light Dependent Resistor) Hình 2.2. Hình dạng thực tế: Hình 2.3 Ký hiệu và đặc tuyến quang trở: Ta có thể xét một mạch phần cực đơn giản nhƣ sau để sử dụng quang trở: 46
Hình 2.4 Một mạch phân cực cơ bản khi sử dụng quang trở Ta thấy với mạch điện trên điện áp V sẽ thay đổi khi giá trị điện trở của quang trở thay đổi. Mà giá trị điện trở quang trở lại phụ thuộc vào cƣờng độ ánh sáng chiếu vào nó. Cho nên ta có dựa vào V để mạch xử lý có thể “cảm nhận” đƣợc ánh sáng. Theo hình trên ta tính V nhƣ sau: 3. Diode quang: Cấu tạo từ một lớp tiếp giáp P-N làm việc ở chế độ phân cực nghịch, do đó ở điều kiện bình thƣờng linh kiện gần nhƣ không dẫn điện. Khi ánh sáng rọi vào kích thích các lỗ trống và điện tử bứt khỏi mạng liên kết, gia tăng hạt tải điện đa số dẫn đến thay đổi đáng kể giá trị dòng điện ngƣợc chạy qua diode. Có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt động của diode quang, nhƣng ta chỉ xét hai yếu tố quang trọng là cƣờng độ và bƣớc sóng ánh sáng chiếu vào. Kí hiệu và cấu tạo của quang diode: 47
Hình 2.5 : Ký hiệu và cấu tạo của quang diode Sự thâm nhập sâu của ánh sáng vào bề mặt silicon phụ thuộc vào bƣớc sóng của ánh sáng theo giản đồ sau: Hình 2.6 Sự thâm nhập của ánh sáng ứng với các bƣớc sóng Xét sự thay đổi ID và VAK của photo diode khi đƣợc chiếu ánh sáng với các cƣờng độ khác nhau ta có: 48
Hình 2.7 : Đặc tuyến diode quang theo cƣờng độ ánh sáng 4. Photo transistor (Transistor quang) Vẫn có 3 lớp bán dẫn nhƣ các BJT thông thƣờng nhƣng cực B hở mạch. Ngƣời ta thay đổi dòng IC bằng cách thay đổi cƣờng độ ánh sáng chiếu vào (thay vì điều khiển dòng IB để khống chế IC nhƣ các BJT bình thƣờng khác). Ký hiệu và đặc tính volt- ampe của một phototransistor điển hình nhƣ hình 2.8: Hình 2.8 : Ký hiệu và đặc tuyến quang transistor. 49
Qua đặc tuyến ta nhận thấy vai trò của cƣờng độ ánh sáng rọi vào tƣơng tự nhƣ vai trò của IB. Do đó độ dẫn điện giữa C và E tuỳ thuộc vào cƣờng độ rọi sáng trên miền B. Cƣờng độ rọi sáng càng lớn thì mật độ bức xạ các hạt điện tử và lỗ trống càng mạnh khiến cho dòng qua hai cực C và E càng dễ dàng hoặc ngƣợc lại. 5. Diode phát quang (LIGHT EMITTING DIODE – LED) Cấu tạo từ một mối nối P-N có cấu tạo đặc biệt sao cho khi có dòng điện phân cực thuận chảy qua, LED sẽ phát ra ánh sáng. Tuỳ vào vật liệu chế tạo mà ánh sáng phát ra có tần số khác nhau. Ví dụ LED chế tạo từ GaAs sẽ phát ra ánh sáng hồng ngoại; từ GaAsP (có phosphor) sẽ phát ra ánh sáng đỏ hay vàng LED có tần số đóng cắt, hiệu suất phát sáng và tuổi thọ rất cao; màu sắc phát ra rất đa dạng nhƣ xanh, lục, vàng, đỏ, phổ tần số phát rộng, giá thành thấp Chính vì các lý do này LED đã trở thành một linh kiện hiển thị thông dụng nhất hiện nay cho các thiết bị điện - điện tử. Hình 2.9 : Ký hiệu LED Diode phát quang về cơ bản là các thành phần bán dẫn, bao gồm một mối nối PN (PN junction). Khi có điện áp thuận, các electron di chuyển dễ dàng từ N sang P. Chất liệu bán dẫn loại Gallium Arsenide thƣờng đƣợc dùng để làm diode phát quang vì có hiệu suất cao. Chất này tạo ra ánh sáng có bƣớc sóng =0.9 µm. Bƣớc sóng này gần vùng hồng ngoại, cho nên GaAs rất thích hợp để chế tạo diode phát hồng ngoại (ILED) có hiệu suất lƣợng tử cao. Một chất gần giống bán dẫn là GaP khi kết hợp với Nitơ hoặc Kẽm Oxit (ZnO) sẽ tạo nên các cặp lỗ trống-điện tử có thể phát quang, mức độ phát quang tùy thuộc vào nồng độ tạp chất. Phần năng lƣợng bị mất cuối cùng là nhiệt năng. Ngƣời ta thấy rằng hiệu suất phát quang của bán dẫn có tạp chất nhỏ hơn bán dẫn thuần khiết. Cho nên bằng cách chế tạo pha trộn nồng độ các chất thích hợp, ta có thể điều chỉnh đƣợc độ dài của bƣớc sóng phát ra. Hiệu ứng lƣợng tử của LED phát sáng tạo ra rất nhỏ so với con LED hồng ngoại. Chúng ta có thể kiểm soát việc tạo ra một công suất tiêu tốn tới hạn hoặc làm cho nhiệt độ mối nối lớn bằng cách cấp dòng dạng xung Id, công suất tiêu tốn nhất 50
thời cho phép lớn hơn nhiều lần công suất tĩnh cho phép. Diode phát hồng ngoại có độ dốc cạnh lên và cạnh xuống từ 400ns đến 1µs nên có thể dùng phƣơng pháp điều chế quang. Một điểm phân biệt giữa hai loại linh kiện là một loại dùng kính còn loại kia có một hệ thống thấu kính. Loại đầu tiên có góc mở quang học lớn. (large aperture angle) (xem hình 2.10) Hình 2.10 : LED có mặt kính bằng gƣơng. Bên trái: hình vẽ phác của linh kiện thật Bên phải: đồ thị phân bố cƣờng độ phát sang (theo góc phát). Những linh kiện này chỉ có cƣờng độ phát sáng tƣơng đối nhỏ, nhƣng với một hệ thống gƣơng bổ trợ, nó sẽ có một biểu đồ phân bố cƣờng độ sáng khá tốt. Để đáp ứng yêu cầu cảm ứng càng xa càng tốt của cảm biến quang, diode phát cần gắn thêm hệ thống gƣơng này. Trong một số trƣờng hợp, linh kiện có sẵn thấu kính và cƣờng độ phát sáng cố định tƣơng đối cao nhƣng góc mở quang học lại nhỏ.Lĩnh vực ứng dụng cho loại linh kiện này là cảm biến phát xạ trực tiếp cho khoảng cách tầm trung và tầm thấp, có thể thích hợp với thiết bị dẫn quang. Hình 2.11. Led có kết hợp gƣơng hội tụ 51
6. Thiết bị ghép quang điện Trong nhiều trƣờng hợp, điện áp ngõ ra của bộ điều khiển không thể tƣơng thích với điện áp tải. Ngoài ra, vấn đề ổn định của hệ thống, giảm nhiễu cũng đƣợc đặt ra. Vì vậy thƣờng phần điều khiển và tải đƣợc cách ly về điện. Thiết bị quang điện tử (Optoelectronic Devices) đƣợc sử dụng để tạo nên ngõ ra của một bộ phận tƣơng thích với ngõ vào của một bộ phận khác. Thiết bị quang điện tử truyền tín hiệu điện từ một bộ phận sang một bộ phận khác bằng phƣơng pháp năng lƣợng ánh sáng và chất bán dẫn. Thiết bị quang điện tử bao gồm một nguồn sáng và một bộ cảm biến ánh sáng, hình 2- 12(a). Nguồn sáng chuyển đổi năng lƣợng điện thành quang. Cảm biến chuyển đổi năng lƣợng quang thành năng lƣợng điện. Nguồn sáng thƣờng sử dụng dụng cụ bán dẫn là đèn LED (light emitting diode). Trạng thái phân cực thuận, ánh sáng phát ra khi điện tử liên kết với lỗ trống xung quanh mối nối PN, hình 2-12(b). Trong suốt quá trình này, electron(điện tử) bị rơi từ trạng thái năng lƣợng cao xuống trạng thái năng lƣợng thấp hơn và năng lƣợng dƣới dạng photon đƣợc giải phóng. Photon là những điểm sáng nhỏ và đƣợc truyền đi. Ánh sáng này đƣợc truyền đến thiết bị bán dẫn. Khi photon đập vào vật liệu bán dẫn của mối nối PN, các electron ở lớp viền đƣợc giải phóng, hình 2-12(c). Khi đó các electron trong vật liệu bán dẫn đƣợc kích hoạt và sau đó dòng điện có khả năng chạy qua mối nối PN. Sự phát hiện ánh sáng và chuyển đổi thành dòng điện đƣợc thực hiện bằng thiết bị hoạt hóa ánh sáng nhƣ là photodiode, phototransistor, photo SCR, và phototriac. Hình 2-12(a): Sơ đồ khối của optoisolator. 52
Hình 2-12(b-c): Cấu trúc nguyên tử của thiết bị quang điện tử. 6.1 Optocoupler diode: Cặp ghép quang điện này có thể lý giải hoạt động đơn giản nhƣ sau: Led khi đƣợc phân cực thuận thì nó sẽ phát ra ánh sáng. Ánh sáng sẽ đƣợc truyền qua Diode quang. Diode quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch. Nếu nhận đƣợc ánh sáng từ led phát qua thì diode sẽ cho dòng điện đi qua, nếu không nó sẽ tắt không cho dòng điện đi qua. Cặp ghép quang điện này đƣợc dùng trong các ứng dụng đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh cho sự phát hiện chuyển mạch nhanh. Hạn chế chủ yếu của chúng là chỉ cho phép dòng điện trong giới hạn micro-ampe từ 50-500uA chạy qua. Hình 2.13 : Diode quang trong optocoupler. 6.2 Optocoupler transistor Transistor quang phụ thuộc vào nguồn sáng cho nó hoạt động. Thông thƣờng, transistor quang không có cực base bên ngoài, hình 2.14. Cho nên nó không có nguồn phân cực cho điều khiển bên ngoài. Thay vào đó, nguồn sáng kích hoạt transistor có cách thức giống nhƣ nguồn phân cực. Khi photon từ LED đập vào mối nối C-B của transistor, 53
dòng tải phụ tăng lên. Tác động này làm cho dòng E-C tăng lên. Nếu cƣờng độ sáng càng tăng thì Dòng E-C chạy qua cạng mạnh. Vì transistor khuếch đại, giá trị dòng điện ngõ ra mà nó sản sinh cao hơn diode quang với cùng một cƣờng độ sáng. Tuy nhiên, thời gian đáp ứng chậm hơn diode quang . Hình 2.14: Transistor quang trong optocoupler. 6.3 Optocoupler PhotoSCR Photo SCR đƣợc xem nhƣ SCR kích hoạt bởi ánh sáng(Light Ativated SCR- LASCR). Hoạt động của LASCR tƣơng đƣơng với SCR thông thƣờng ngoại trừ nó đƣợc kích hoạt bằng ánh sáng thay vì bằng điện áp tại cực gate. Ký hiệu LASCR hình 2.15. Hình 2.15: LASCR trong optocoupler. SCR bình thƣờng ở trong điều kiện tắt (OFF). Ta có thể kích SCR theo 1 trong 3 cách sau: 1. Chiếu sáng vào mối nối PN. 2. Đặt điện áp dƣơng lên cực gate. 3. Kết hợp giữa điện áp cực gate và chiếu sáng. Công suất ngõ ra điều khiển của SCR cao hơn nhiều giá trị yêu cầu để kích nó. Giá trị của cƣờng độ sáng dùng để bật LASCR có thể điều khiển bằng cách điều chỉnh điện trở phân cực gate_cathod. Ví dụ, điện trở có giá trị lớn ngăn chặn LASCR dẫn cho đến khi đạt đƣợc cƣờng độ sáng mạnh. LASCR giữ trạng thái bật sau khi ánh sáng hay điện áp cực gate bị gỡ bỏ. Khi dòng điện chạy qua nó giảm xuống thấp hơn giá trị dòng duy trì của nó, SCR sẽ tắt. 54
Bởi vì khả năng chịu tải (nói về công suất) của nó vƣợt xa các thiết bị ghép nối quang điện khác nên Optocoupler SCR thƣờng đƣợc dùng lái các thiết bị công suất lớn. Photo SCR có khả năng chuyển mạch dòng điện 2 ampe và chịu đƣợc điện áp cao khoảng 200V. 6.4 Optocoupler Triac Photo Triac là thiết bị hai chiều thiết kế có dạng chuyển mạch tín hiệu AC và dòng điện chạy qua theo cả hai hƣớng. Ký hiệu của photo triac hình 2.16. Photo Triac chế độ bình thƣờng tắt nếu mối nối PN của nó không đƣợc chiếu sáng. Suốt mỗi bán kì, nó bật khi đƣợc kích bằng một cƣờng độ sáng xác định, và tắt đi khi dòng điện dẫn giảm xuống dƣới mức di trì. Khả năng chịu dòng của photo triac không cao nhƣ LASCR. Hình 2-16: Photo triac bên trong optocoupler. 7. Các cảm biến quang điện tử: : Hình 2.17 Cảm biến quang điện thu-phát rời 55
2.17 100m. L . Hình 2.18 Cảm biến quang điện kiểu truyền thẳng Ứng dụng 56
Hình 2.19 Một số ứng dụng của cảm biến quang điện thu-phát rời nhau 7.2 Hình 2.20 Cảm biến quang điện có gƣơng phản xạ . . 57
. Ứng dụng 58
Hình 2.21 Các ứng dụng cảm biến quang điện có gƣơng phản xạ 7.3 Hình 2.22 Cảm biến quang điện phản xạ trực tiếp . . 59
. Hình 2.23 Ứng dụng Cảm biến quang điện phản xạ trực tiếp 60
Chƣơng 3 Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ MẠCH SỐ VÀ MẠCH TƢƠNG TỰ Mạch tƣơng tự là thiết bị thao tác các đại lƣợng vật lý đƣợc biểu diễn dƣới dạng tƣơng tự. Trong hệ thống tƣơng tự, các đại lƣợng có thể thay đổi trong một khoảng thời gian liên tục. Ví dụ biên độ tín hiệu đầu ra của loa trong máy thu vô tuyến có thể là giá trị bất kỳ giữa zê-rô và giá trị giới hạn lớn nhất. Một vài hệ thống tƣơng tự thƣờng gặp nhƣ: bộ khuếch đại âm tần, thiết bị thu phát băng từ. Các đại lƣợng xử lý của mạch tƣơng tự gọi là Tín hiệu tương tự. Tín hiệu tƣơng tự có các đặc điểm sau: - Thƣờng do các hiện tƣợng tự nhiên phát sinh và đƣợc một cảm biến chuyển thành tín hiệu điện. - Liên tục về biên độ, có nghĩa là trong khoảng biến thiên của nó từ biên độ min đến max luôn đƣợc điền đầy bởi các giá trị nằm giữa. - Tín hiệu thƣờng liên tục theo thời gian. Biên độ t A (số) t Hình 3.1: Ví dụ về tín hiệu tƣơng tự và tín hiệu số Mạch số là tập hợp thiết bị đƣợc thiết kế để thao tác thông tin logic hay đại lƣợng vật lý đƣợc biểu diễn dƣới dạng số, tức là các đại lƣợng chỉ có hai giá trị rời rạc. Các đại lƣợng trong mạch số đƣợc gọi là tín hiệu số. Tín hiệu số xét về biên độ chỉ có hai mức giá trị rời rạc khác nhau, đƣợc gọi là mức thấp(Low: logic 0) và mức cao (High : logic 1). Một vài 61
hệ thống ký thuật số ta thƣờng gặp nhƣ: máy vi tính, máy tính tay, camera số và hệ thống điện thoại Hình 3.1 mô tả một ví dụ về tín hiệu tƣơng tự và tín hiệu số theo thời gian. Nhận thấy rằng với tín hiệu tƣơng tự có nhiều mức giá trị (VTT) khác nhau. Còn với tín hiệu số tồn tại hai mức giá trị tƣơng ứng với hai mức logic 0 và 1. * Một số ƣu và nhƣợc điểm mạch số so với mạch tƣơng tự: Ƣu điểm của hệ thống số so với hệ thống tƣơng tự : - Nhìn chung thiết bị số dễ thiết kế hơn vì hệ thống số không đòi hỏi giá trị hiệu điện thế hay cƣờng độ dòng điện chính xác mà nó chỉ cần rơi vào khoảng qui định. Và việc luận lý các giá trị số “có vẻ” dễ dàng hơn so với việc xử lý các tín hiệu tƣơng tự. - Dữ liệu được lưu trữ dễ dàng: Việc lƣu trữ đơn giản nhờ vào các IC chuyên dụng. Công nghệ bộ nhớ bán dẫn phát triển không ngừng làm cho việc khả năng lƣu trữ dung lƣợng lớn, nén dữ liệu, giải nén, mã hóa, truy xuất nhanh và chính xác mà mạch tƣơng tự gần nhƣ không thể làm đƣợc. - Độ chính xác và độ tin cậy cao hơn. Hệ thống kỹ thuật số tăng độ chính xác bằng cách thêm nhiều mạch chuyên dụng. Trong khi đó ở thiết bị tƣơng tự độ chính xác thƣờng bị giới hạn vì giá trị của hiệu điện thế và dòng điện, phụ thuộc trực tiếp vào giá trị mach điện thành phần, ngoài ra nó còn chịu tác động bởi các xung nhiễu. - Có thể lập trình hoạt động của hệ thống kỹ thuật số. Hoạt động của hệ thống kỹ thuật số có thể đƣợc điều khiển theo các qui luật đã đƣợc định trƣớc bằng một tập hợp lệnh gọi là chƣơng trình. Khi công nghệ phát triển việc này còn trở nên dễ dàng hơn. Hệ thống tƣơng tự cũng có thể lập trình, nhƣng chƣơng trình rất đơn giản, không đa dạng. - Mạch số ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Giá trị chính xác của dòng điện trong mạch không quan trọng đối với hệ thống kỹ thuật số, nghĩa là nhiễu không đủ lớn để làm sai biệt mức cao hay mức thấp. - Nhiều mạch số có thể được tích hợp trên một chip IC. Thật ra sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ IC cũng mang lại nhiều thuận lợi cho mạch tƣơng tự. Nhƣng do mạch tƣơng tự khá phức tạp và lại sử dụng những thiết bị không có hiệu quả kinh tế nên không thể đạt đƣợc hiệu quả tích hợp cao nhƣ mạch số Nhƣợc điểm của hệ thống số so với hệ thống tƣơng tự: -Thế giới thực mà chúng ta đang sống là thế giới tương tự. Hầu hết đại lƣợng vật lý đều có bản chất tƣơng tự và chính những đại lƣợng này thƣờng là ngõ vào và ngõ ra của một hệ thống theo dõi điều khiển. Ví dụ nhƣ các đại lƣợng nhiệt độ, áp suất, vị trí, vận tốc mức chât lỏng , tốc độ trôi chúng ta có thói quen số hóa những đại lƣợng này, ví dụ nhƣ khi nói nhiệt độ đang 32o, thực ra ta đã đƣa ra một con số gần đúng cho đại lƣợng tƣơng tự. -Trong thực tế chúng ta thƣờng phải biến đổi thông tin qua lại giữa dạng tƣơng tự và dạng số có thể xem là khuyết điểm vì nó làm cho thiết bị thêm phức tạp và giá thành 62
cao hơn. Một nhân tố quan trọng khác là cần thêm thời gian để thực hiện các biến đổi này. Ở nhiều ứng dụng những bất lợi nhƣ trên thƣờng bị lấn lƣớt bởi vô số ƣu điểm của kỹ thuật số và do vậy việc biến đổi qua lại giữa các đại lƣợng tƣơng tự và số đã trở thành chuyện thƣờng ngày trong công nghệ hiện nay. Tuy nhiên cũng có một số trƣờng hợp chỉ nên sử dụng kỹ thuật tƣơng tự, vì đơn giản hơn, có hiệu quả kinh tế hơn. Để tận dụng ƣu thế của cả hai loại, ngƣời ta thƣờng sử dụng cả kỹ thuật số và kỹ thuật tƣơng tự trong cùng hệ thống. Ở những hệ thống này khâu quan trọng nhất trong giai đoạn thiết kế là quyết định cho phần nào của hệ thống kỹ thuật tƣơng tự và phần nào dùng kỹ thuật số. 2. SƠ ĐỒ HỆ GIAO TIẾP HỆ THỐNG SỐ VÀ TƢƠNG TỰ Tín hiệu Tín hiệu số Tín hiệu Tín hiệu số tƣơng tự 0,1 tƣơng tự Cảm ADC Hệ thống DAC Đ ệm Tín hiệu biến số Điều khiển vật lý biến vật lý Hình 3.2: Sơ đồ khối giao tiếp ADC và DAC  Bộ cảm biến là thiết bị dùng để chuyển đổi tín hiệu vật lý (là đại lƣợng không mang điện) thành tín hiệu tƣơng tự (mang điện). Một số bộ cảm biến thƣờng gặp: điện trở nhiệt, tế bào quang điện, cảm biến nhiệt ngõ ra của cảm biến là tín hiệu tƣơng tự nhƣ dòng hoặc áp tỉ lệ với biến vật lý mà nó đang giám sát.  Bộ ADC là bộ chuyển đổi tín hiệu ngõ vào tƣơng tự thành tín hiệu ngõ ra số. Ví dụ ADC có thể chuyển đổi tín hiệu các giá trị tƣơng tự từ 800mv đến 1500mv của bộ cảm biến thành những giá trị nhị phân trong khoảng 01010000 (80) đến 10010110 (150). Ngõ ra nhị phân của ADC tỉ lệ với mức điện thế ngõ vào tƣơng tự.  Hệ thống số. Tín hiệu số đƣợc đƣa ra từ bộ ADC đƣợc đƣa tới bộ xử lý trong hệ thống số để xử lý nó dựa theo mạch logic đƣợc thiết kế sẵn hoặc theo các lệnh đƣợc lƣu trữ để đƣa ra một kết quả số.  Bộ DAC có chức năng chuyển đổi tín hiệu ngõ vào số thành tín hiệu ngõ ra tƣơng tự. Tín hiệu tƣơng tự ở ngõ ra có thể là dòng điện hoặc điện áp tƣơng tự theo tỉ lệ. Ví dụ máy tính có thể tạo ngõ ra số biến thiên từ 00000000 đếm 11111111, đƣợc DAC chuyển đổi thành mức điện thế trong khoảng 0 đến 10V. 63
 Bộ đệm tín hiệu tƣơng tự: thƣờng là mạch tƣơng tự để nâng công suất ngõ ra đủ để giao tiếp với các đối tƣợng tƣơng tự và cách ly tải với mạch điều khiển. 3. BỘ CHUYỂN ĐỔI SỐ SANG TƢƠNG TỰ (Digital-to-Analog Converter) Bộ chuyển đổi số sang tƣơng tự (DAC hay D/A converter) đƣợc sử dụng để chuyển đổi tín hiệu biểu diễn bởi số nhị phân trở thành điện áp tƣơng tự tƣơng ứng. Mặc dù những thiết bị này có sẵn trong IC, nhƣng chúng đƣợc phân tích riêng biệt để mô tả chức năng của chúng. Hình 3.3: Mạch DAC 4 bit Bộ DAC ngõ vào 4bit thể hiện ở hình 3-1. Nó bao gồm bộ khuếch đại cộng với điện trở hồi tiếp RF, bốn điện trở cộng và bốn Switch dùng để cấp tín hiệu vào 4bit. Mỗi switch ở vị trí mở tạo tƣơng đƣơng mức 0, ở vị trí đóng tƣơng đƣơng mức 1. Sự phân bố của mỗi switch tƣơng ứng với giá trị trọng số 8-4-2-1 của số nhị phân 4bit. Điện trở R1 đến R4 đƣợc chọn với một trọng số tƣơng ứng trƣớc đó. Điện trở R4 = 12.5kΩ kết nối với bit nhị phân cao nhất (MSB) ngõ vào. Giá trị còn lại của điện trở đƣợc chọn bằng cách lấy gấp đôi giá trị điện trở trƣớc nó. Điện áp tƣơng tự luôn có ở ngõ ra bộ khuếch đại. Mạch điện đƣợc thiết kế (hình 3-1) để hoạt động sao cho giá trị số nhị phân 4bit biểu diễn bằng 4 switch đƣợc chuyển đổi thành điện áp. Vì 16 tổ hợp khác nhau của các switch (0-15) mà có 16 giá trị điện áp tƣơng tự tƣơng ứng đƣợc tạo ra. Ví dụ, khi tất cả các switch ở vị trí mở biểu diễn số nhị phân ngõ vào là 0000, ngõ ra là 0V. Nếu switch 1 chuyển sang vị trí đóng (số nhị phân 0001) thì ngõ ra op-amp là -1V. Nếu switch 1 và switch 3 đóng (số nhị phân 0101) thì ngõ ra op-amp là -5V. Nếu cả 4 switch đóng (số nhị 64
phân 1111) thì ngõ ra op-amp là -15V. Điện áp tƣơng tự ở ngõ ra ứng với mỗi tổ hợp switch đƣợc xác định bằng công thức dùng cho bộ khuếch đại cộng. Ví dụ 3-1: Điện áp tƣơng tự ở ngõ ra bộ DAC hình 2-33 là gì khi số nhị phân đặt vào là 1001? Lời giải: Bảng số liệu hình 3-2(a) cung cấp tất cả các ngõ vào số có thể và điện áp ngõ ra tƣơng ứng cho mạch điện hình 3.1. Hình 3-2(b) cung cấp các thông tin dạng biểu đồ. Bộ DAC 4bit chia ngõ ra tham chiếu thành 15 phần bằng nhau. Các DAC trong IC tồn tại dƣới dạng 8, 12, 16 ngõ vào số nhị phân. Số ngõ vào có thể tăng lên và ngõ ra điện áp tham chiếu đƣợc chia thành những phần nhỏ hơn. Ví dụ, DAC 8bit chia ngõ ra tƣơng tự thành 255 phần bằng nhau, bộ chuyển đổi 12bit chia thành 4095 phần bằng nhau, 16bit chuyển đổi thành 65535 phần bằng nhau. Giá trị điện áp tham chiếu của DAC chia cho số các phần bằng nhau gọi là resolution (độ phân giải). Độ phân giải của DAC đƣợc xác định bằng công thức dƣới đây: Số 2 trong đẳng thức biểu diễn cho hệ đếm nhị phân. Số mũ n là số ngõ vào nhị phân đƣợc dùng của DAC. Phép trừ 1 từ giá trị nhị phân lớn nhất xác định đƣợc số bậc (độ phân giải) giữa giá trị nhị phân lớn nhất và nhỏ nhất. 65
Hình 3-4: Ngõ ra tương tự và ngõ vào số của mạch hình 3-1. Ví dụ 3-2: Xác định độ phân giải của DAC với điện áp tham chiếu là 30V và 4 ngõ vào. Lời giải: Giới hạn điện áp tham chiếu là 30V Có 4 ngõ vào nên n=4. 66
Ta có 24 = 16. 30/(16-1)= 2V : độ phân giải. Thông thƣờng, độ phân giải biểu đƣợc biểu thị bằng số bit nhị phân ngõ vào đƣợc chuyển đổi. DAC với độ phân giải lớn yêu cầu điện áp chuẩn chính xác vì bất kỳ sự thay đổi nhỏ có thể tạo ra lỗi. Độ phân giải hiển nhiên là chỉ số quan trọng đƣợc xem xét khi lựa chọn DAC. Ngoài ra, yếu tố quan trọng không kém là tốc độ làm việc và độ chính xác của DAC. IC chuyển đổi số - tƣơng tự (IC DAC) Một DAC 8 bit phổ biến là DAC0808. Nguồn bên trong linh kiện tỉ lệ với dòng điện tại ngõ ra của nó. Hình 3-5 thể hiện kết nối bên ngoài giữa DAC0808 với op-amp 741. Phạm vi dòng điện đƣợc điều khiển bằng cách kết hợp điện áp 10V và điện trở 10kΩ nối vào chân 14 của DAC. Dòng điện 2mA chạy qua điện trở Rf là giá trị lớn nhất của dòng điện chạy qua ngõ ra chân số 4 (Iout). Khi số nhị phân ngõ vào là 0000 0000 thì dòng điện nhỏ nhất là 0mA chạy qua chân số 4. Khi số nhị phân ngõ vào là 1111 1111 thì dòng điện lớn nhất là 2mA chạy qua chân số 4. Bằng cách dùng điện trở hồi tiếp Rf= 5kΩ, ngõ ra điện áp tƣơng tự của op-amp trong khoảng 0-10V. Điện áp 10V sinh ra khi có dòng Iout= 2mA. Nếu điện áp ngõ ra trong khoảng yêu cầu khác, độ khuếch đại của op-amp phải đƣợc điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở Rf sang giá trị khác. Trong đó K ≈ Vref/ Rref 67
Hình 3-5: DAC0808 kết nối với op-amp 741 Một số thông tin về DAC 0809 của National 68
4. BỘ CHUYỂN ĐỔI TƢƠNG TỰ SANG SỐ (Analog-to- Digital Converter) Bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số (ADC hay A/D converter) có khả năng chuyển đổi tín hiệu điện áp ngõ vào tƣơng tự thành giá trị số tƣơng ứng ở ngõ ra. 4.1 Các phƣơng pháp chuyển đổi 4.1.1 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang(Ramp ADC) Khởi đầu Trạng thái So sánh CK giữ nguyên VA + VCOMP Tạo mức VA’ - logic D0 Q0 Bộ D Q 1 1 đếm DAC nhị D Q phân Kết thúc n-1 n-1 FF-D FF-D FF-D D0 D1 Dn-1 Hình 3.6 ADC với tham chiếu nấc thang Nguyên lý hoạt động: - Trƣớc thời điểm t1 là thời điểm xung điều khiển ở mức thấp, trạng thái của mạch nhƣ sau: . Xung CK bị khóa . Bộ đếm bị xóa về 0 . Ngõ ra của DAC có VA’= 0 . VCOMP = +VCC . Ngõ ra của mạch tạo mức logic 1 - Tại thời điểm t1 là thời điểm xung điều khiển từ 0 lên 1 (Start) cổng And cho xung CK di qua kích bộ đếm làm việc  các ngõ ra Q0Q1 . Qn-1 có giá trị tăng dần theo tốc độ của xung CK.Các ngõ ra Q0Q1 .Qn-1 thông qua DAC làm cho VA’ tăng và khi VA’ lớn hơn 71
VA thì VCOMP = -VCC khi đó ngõ ra mạch tạo mức logic trở về 0 khóa cổng And và bộ đếm ngƣng làm việc(Dừng lại, giữ nguyên trạng thái). - Tại thời điểm t2 là thời điểm mà xung Start từ cao xuống thấp thì bộ đếm bị xóa. Lúc này các FF-D xuất dữ liệu chuyển đổi đƣợc ra ngoài. Nhƣ vậy khi điện áp ngõ vào càng cao, tốc độ của xung đếm là không đổi thì thời gian để VA’ đạt ngƣỡng VA càng chậm có nghĩa mã số ra càng lớn. 4.1.2 Mạch ADC gần đúng lấy liên tiếp (SAR) Mạch này có điểm khác với ADC dùng điện thế tham chiếu bậc thang đó là mạch SAR không sử dụng bộ đếm cung cấp ngõ vào cho ADC, thay vào đó lại dùng thanh ghi xấp xỉ liên tiếp (A successive approximation register: SAR), nội dung lƣu trên thanh ghi thay đổi theo từng bit một, cho đến khi dữ liệu ở thanh ghi cho giá trị số tƣơng đƣơng với ngõ vào tƣơng tự trong phạm vi độ phân giải của bộ chuyển đổi. Hình 3-7: Bộ chuyển đổi ADC SAR rút gọn. 72
Hình 3-5 (a) trình bày sơ đồ khối đơn giản của ADC sử dụng SAR. Tám đƣờng tín hiệu ra D0-D7, tạo ra tín hiệu ngõ vào để DAC chuyển đổi thành các giá trị điện áp khác nhau, hình 3-5(b). Những điện áp này sẽ đƣợc tạo ra nếu điện áp nguồn 10V đặt lên ngõ vào Vref. Nó hoạt động nhƣ sau: 1. Khi nhấn nút Start, SAR đƣợc reset ở cạnh xuống của xung cấp vào ngõ vào chân WR\ . 2. Quá trình chuyển đổi bắt đầu ở cạnh lên của xung chuyển đổi sau khi buông nút Start. 3. Khi cạnh dƣơng của xung Clock đầu tiên xuất hiện, SAR tạo ra mức cao tại ngõ ra MSB (D7). Đó là lý do DAC tạo ra điện áp tƣơng tự bằng một nửa giá trị lớn nhất. 4. Nếu ngõ ra DAC cao hơn điện áp chƣa biết (ẩn số Vin), ngõ ra SAR chuyển sang mức thấp, nếu ngõ ra DAC thấp hơn điện áp chƣa biết (ẩn số Vin), ngõ ra SAR cho phép D7 lên mức cao. 5. Xung clock thứ hai làm cho bit thấp kế tiếp (D6) lên mức cao. Nếu ngõ ra DAC cao hơn điện áp chƣa biết (ẩn số Vin), D6 chuyển sang mức thấp. Nếu không, SAR cho phép D6 lên mức cao. 6. Quá trình này đƣợc tiếp tục cho các bit còn lại từ D5-D0. 7. Cuối quá trình, SAR chứa 8 bit nhị phân ngõ ra, làm cho DAC tạo ra ngõ ra tƣơng tự bằng với ẩn số ngõ vào tƣơng tự. Sự vận hành này xảy ra tại xung clock thứ 8. Số nhị phân 8bit đƣợc chứa trong SAR biểu thị cho tín hiệu ngõ vào tƣơng tự và đƣợc hiển thị ở 8 đƣờng ra. 8. Tại thời điểm mà quá trình chuyển đổi 8 bƣớc hoàn tất, đƣờng tín hiệu ra INTR\ (End-of-Conversion) chuyển sang mức thấp. Vì ngõ ra ADC thƣờng chia sẻ với các thiết bị khác trên đƣờng dữ liệu chung, bộ đệm 3 trạng thái 8bit đƣợc kết nối với ngõ ra số. Khi mức thấp, tín hiệu INTR\ đƣợc dùng dể cho phép bộ đệm số đếm của ADC xuất ra đƣờng tín hiệu. Khi ngõ ra INTR\ lên mức cao, ngõ ra bộ đệm chuyển sang trạng thái tổng trở cao cho phép thiết bị khác sử dụng đƣờng dữ liệu chung này. Ví dụ 3-2: Vẽ dạng sóng xuất hiện nếu SAR A/D converter hình 3.5(a) đƣợc sử dụng để chuyển đổi điện áp tƣơng tự 5.59V thành ngõ ra số 8bit. Lời giải: Nhìn hình 3.6, SAR rất nhanh vì 8bit SAR chỉ yêu cầu 8 xung clock để thực hiện toàn bộ quá trình. 73
Hình 3-8: Biểu đồ thời gian cho SAR ADC 74
4.1.3 Mạch ADC chuyển đổi song song(FLASH ADC) VCC 3R C7 7V1 Tạo mức logic 1-0 I7 D2 R C6 6V1 R D1 C5 5V1 MÃ R HÓA C4 8 D0 4V1 SANG R C3 3 3V1 R C2 2V1 R C1 V1 Tạo mức logic 1-0 I1 R VA Hình 3.9 : Sơ đồ mạch FLASH – ADC Ta có quan hệ ngõ vào và ngõ ra nhƣ sau: VA C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 D2 D1 D0 VA< V1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 V1< VA< 2V1 vcc 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2V1< VA< 3V1 vcc vcc 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 3V1< VA< 4V1 vcc vcc vcc 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 4V1< VA< 5V1 vcc vcc vcc vcc 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 5V1< VA< 6V1 vcc vcc vcc vcc vcc 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 6V1< VA< 7V1 vcc vcc vcc vcc vcc vcc 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 7V1< VA vcc vcc vcc vcc vcc vcc vcc 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 75
Mạch mã hóa ƣu tiên tác dụng mức cao có ngõ vào là I1, I2, , I7 , mức độ ƣu tiên theo thứ tự tăng dần từ I1 I7. Hàm ngõ ra: DII0IIIII 1 2 3 4 5 6 7 DIII1II 2 3 3 4 6 D2 I4 Ứng với mỗi mức điện áp VA ngõ vào tƣơng tự nằm trong giới hạn nào đó ta có một trạng thái ngõ ra số. FLASH-ADC là ADC tốc độ cao nhất, nhƣng đòi hỏi sơ đồ mạch phức tạp hơn các loại khác.Ví dụ ADC 6 bit đòi hỏi 63 bộ so sánh tƣơng tự và 64 điện trở, ADC 8 bit đòi hỏi 255 bộ so sánh tƣơng tự và 256 điện trở .Nói chung ADC n bit cần 2n-1 bộ so sánh tƣơng tự và 2n điện trở 4.2 IC chuyển đổi tƣơng tự sang số (IC ADC) 4.2.1 ADC 0804 Hình 3-10 là sơ đồ khối của IC ADC0804. Mạch điện có thể chuyển đổi điện áp tƣơng tự thành ngõ ra số 8bit tƣơng đƣơng. Khoảng điện áp tƣơng tự chuyển đổi đƣợc xác định bằng cách đƣa điện áp mong muốn vào VDC. Để tinh chỉnh, phân nửa điện áp VDC cấp cho ngõ vào VREF/2. Một điện áp thay đổi nhỏ tại VREF/2 sẽ tạo sự điều chỉnh ADC. Bằng cách đặt điện áp 5.12V lên VDC và 2.56V lên VREF/2 , mạch có thể chuyển đổi tín hiệu điện áp tƣơng tự kết nối với chân Vin(+) và Vin(-) trong khoảng 0V đến 5.12V. Với 8 ngõ ra, có 256 mức điện áp tƣơng tự đƣợc chuyển đổi thành ngõ ra số. Với điện áp vào tối đa là 5.12V, mỗi 0.02V (5.12 x 0.0039) tăng lên sẽ làm cho số đếm nhị phân tăng lên 1. 76
Hình 3-10: Sơ đồ khối IC ADC0804 IC ADC0804 có chứa clock nội. Để hoạt động, điện trở và tụ điện đƣợc kết nối đến ngõ vào CLK R và CLK IN. IC ADC0804 luôn chứa SAR 8bit cho quá trình chuyển đổi. SAR reset tại cạnh xuống xung ngõ vào WR\ bằng cách nhấn nút START. Khi buông nút, xung đƣa đến ngõ vào WR\ trở lại mức cao và quá trình chuyển đổi bắt đầu. Cuối quá trình với 8 xung clock, ngõ ra INTR\ xuống mức thấp. 8 ngõ ra biểu diễn điện áp tƣơng tự ngõ vào sẽ đƣợc mô tả tại đƣờng tín hiệu ra tích cực mức cao DB0-DB7. Để tiếp tục cập nhật điện áp tƣơng tự đặt trên ngõ vào, chân INTR\ kết nối với chân ngõ vào WR\. Bằng cách làm nhƣ vậy, 5000 đến 10000 sự chuyển đổi đƣợc thực hiện trong 1 giây. IC ADC 0804 là thiết bị CMOS đƣợc thiết kế để kết nối trực tiếp với vài loại vi xử lý. Cho nên, một số chân nhƣ RD\, WR\, CS\ và INTR\ tƣơng ứng với các chân có cùng tên của vi xử lý. 77
4.2.2 ADC 0809 Hình 3-11 Hình dạng thực tế của ADC0809 ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tƣơng tự sang số 8 bit, bộ chọn 8 kênh và một bộ logic điều khiển tƣơng thích. Bộ chuyển đổi AD này dùng phƣơng pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tục. Bộ chọn kênh có thể truy xuất bất kì kênh nào trong các ngõ vào tƣơng tự độc lập.Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm 0 bên ngoài và khả năng điều chỉnh tỉ số làm tròn. 4.2.2.1. Sơ đồ chân Hình 3-12 Sơ đồ chân ADC0809 78
 Ý nghĩa các chân: IN0 đến IN7: 8 ngõ vào tƣơng tự ADD A, ADD B, ADD C: chọn 1 trong 8 ngõ vào. 2-1 đến 2-8: 8 ngõ ra song song. ALE: Cho phép chốt địa chỉ. START: Xung bắt đầu chuyển đổi. CLOCK: Xung đồng hồ. VREF(+): Điện thế tham chiếu dƣơng. VREF(-): Điện thế tham chiếu âm. EOC: Báo hiệu quá trình chuyển đổi xong. OUTPUT ENABLE: Cho phép đọc dữ liệu. VCC: Nguồn cung cấp. GND: Mass 4.2.2.2 Sơ đồ khối: Hình 3-13 Sơ đồ khối ADC0809 79
4.2.2.3 Đặc tính kỹ thuật ADC0809 Độ phân giải 8 bit 1 LBS,1 LBS Tổng sai số chƣa chỉnh định 2 Thời gian chuyển đổi:100us ở tần số chuẩn 640kHz. Nguồn cung cấp:5V. Tần số xung clock: 10kHz – 1280kHz. Nhiệt độ hoạt động: -40oC đến 85oC. Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng. Không cần điều chỉnh zero hoặc đầy thang. 4.2.2.4 Nguyên lý hoạt động ADC 0809 có 8 ngõ vào tƣơng tự, ngõ ra 8 bit, có thể chọn 1 trong 8 ngõ vào tƣơng tự để chuyển đổi sang số nhị phân 8 bit. Các ngõ vào đƣợc chọn bằng cách các chân chọn kênh. Việc chọn 1 trong 8 kênh ngõ vào đƣợc thực hiện bởi 3 chân: ADD A,ADD B,ADD C nhƣ sau: A B C Ngõ vào đƣợc chọn 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 Sau khi kích xung Start thì bộ chuyển đổi bắt đầu hoạt động ở cạnh xuống của xung Start. Ngõ ra EOC sẽ xuống mức thấp sau khoảng 1 xung clock(tính từ cạnh xuống củ ọng số lớn nhất(MSB) đƣợc đặt lên mức 1, tất cả các bit còn lại mức 0, đồng thời tạo ra điện thế có giá trị Vref/2,điện thế này đƣợc so sánh với VIN: Nếu VIN> Vref/2 thì MSB vẫn ở mức 1. Nếu VIN< Vref/2 thì MSB chuyển thành mức 0. Tƣơng tự nhƣ vậy bit kế tiếp đƣợc đặt lên mức 1 và tao ra điện thế Vref/4 và cũng so sánh với ngõ vào VIN. Quá trình cứ tiếp tục nhƣ vậy cho đến khi xác định đƣợc bit cuối cùng. Khi đó chân EOC lên mức 1 báo cho biết đã kết thúc chuyển đổi. Trong suốt quá trình chuyển đổi chân OE đƣợc đặt ở mức 1, muốn đọc dữ liệu ra ta đƣa chân OE xuống mức 0. Trong suốt quá trình chuyển đổi nếu có 1 xung start tác động thì ADC sẽ ngƣng chuyển đổi. 80
Mã ra N cho 1 ngõ vào tùy ý là 1 số nguyên. Trong đó : VIN là điện áp vào. Vref(+) là điện áp tại chân VREF(+). Vref(-) là điện áp tại chân VREF(-). Khi đó: V Vref () N 256. IN Vref()() Vref V Nếu chọn Vref(-)=0V thì N 256. IN Vref () Vref(+)=VCC=5V thì đầy thang là 256. Giá trị nhỏ nhất là: 5 1LBS 0.0196 V / byte 218 Áp vào lớn nhất của ADC 0809 là 5V.  Biểu đồ thời gian của ADC 0809: 81
Chƣơng 4 Cảm Biến Nhiệt Độ và Ứng Dụng Nhiệt độ là đại lƣợng trong môi trƣờng thƣờng đƣợc đo nhất. Nó đƣợc yêu cầu từ khi những ngành vật lý, điện, hóa học, cơ khí, sinh học bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ. Một vài quá trình chỉ đƣợc hoạt động tốt trong phạm vi nhiệt độ hẹp,chắc rằng những quá trình sinh học, phản ứng hóa học, ngay cả những mạch điện tốt nhất cũng bị giới hạn trong vòng phạm vi của nhiệt độ. Khi mà những quá trình đƣợc yêu cầu tính khả thi thì hệ thống điều khiển việc giữ nhiệt độ ở giới hạn cụ thể là rất hữu ích. Cảm biến nhiệt độ tạo ra các giá trị ngõ vào của các hệ thống này. Nhiều linh kiện điện tử có thể bị phá hủy khi nhiệt độ cao, hoặc nhiệt độ thấp. Thiết bị bán dẫn và màn hình tinh thể lỏng LCD là những ví dụ cụ thể của việc bị ảnh hƣởng của nhiệt độ cao, khi mà nhiệt độ giới hạn bị vƣợt quá, việc bảo vệ hệ thống là cần thiết. Trong những hệ thống này, nhiệt độ cảm biến giúp đáp ứng độ tin cậy. Một ví dụ cụ thể nhƣ là máy tính cá nhân. Bo mạch chủ và các ổ đĩa cứng tạo ra một lƣợng nhiệt đáng kể. Những quạt bên trong giúp làm mát hệ thống, nhƣng nếu quạt bị hỏng hoặc dòng không khí bị khóa thì những linh kiện có thể bị tổn hại vĩnh viễn. Bằng cách cảm biến nhiệt độ bên trong máy tính, những tình trạng nhiệt độ cao có thể bị phát hiện và khi đó giải pháp sẽ đƣợc thi hành để giảm nhiệt độ hoặc thậm chí là tắt hệ thống để ngăn ngừa các rủi ro. Những ứng dụng đơn giản khác đòi hỏi thông tin về nhiệt độ để mà những tác dụng nhiệt có thể đƣợc ƣớc lƣợng. Ví dụ là các bộ nạp pin ( pin nạp năng lƣợng với các giá trị nhiệt độ biến thiên và nhiệt độ pin có thể giúp xác định thời điểm tốt nhất để kết thúc quá trình sạc), bộ dao động tinh thể( tần số dao động biến thiên với nhiệt độ), và LCD ( độ tƣơng phản là sự phụ thuộc nhiệt độ và có thể đƣợc bù nếu nhƣ nhiệt độ đƣợc biết). Chƣơng này mang lại những kiến thức về cảm biến nhiệt, cụ thể là cảm biến nhiệt silic, bao gồm một số vi mạch tƣợng trƣng, đƣợc trích dẫn từ những bài tiểu luận mẫu, và một số hƣớng dẫn để giúp chọn đƣợc cảm biến nhiệt phù hợp với công việc của bạn. 82
Một vài cảm biến nhiệt đƣợc xác định dựa trên cách dùng phổ biến. Phổ biến nhất là bộ dò nhiệt điện trở (RTDs), cặp nhiệt ngẫu, bộ dò nhiệt, và cảm biến IC bán dẫn. Sự chính xác trong cách dùng cảm biến là phụ thuộc vào phạm vi nhiệt độ, độ tuyến tính, sự chính xác, chi phí,điểm đặc trƣng, sự dễ dàng trong thiết kế hỗ trợ cho công nghệ làm mạch. Ở phần này, chúng ta thảo luận về những đặc điểm của những kỹ thuật cảm biến nhiệt phổ biến kỹ thuật . 1. RTDs (ResistanceTemperature Detectors): Cảm biến điện trở sử dụng yếu tố điện trở biến thiên theo nhiệt độ. Một Platin RTDs hoặc một nhiệt điện trở Platin (PRTs) bao gồm một cuộn Platin cuốn quanh một ống dây, hoặc một màng Platin đƣợc phủ trên một cực nền. Cũng trong trƣờng hợp này, đƣờng cong nhiệt điện trở của cảm biến gần nhƣ là một đƣờng tuyến tính nhƣ hình 4-1. Đƣờng cong điện trở của RTDs thì thấp hơn đƣờng thẳng tham chiếu, và nó không tuyến tính ở nhiệt độ cực cao. Sự ko tuyến tính này có thể đƣợc hiệu chỉnh bởi một mạch tuyến tính hóa hoặc bằng việc số hóa các giá trị điện trở đo đƣợc và sử dụng bảng tra để hiệu chỉnh. Bởi vì nhiệt độ tại vị trí của đƣờng cong đoạn gần tuyến tính rộng ( xấp xỉ - 250°C tới + 750°C) và sự ổn định của Platin( thậm chí khi nóng) nên RTDs đƣợc dùng trong hàng loạt những ứng dụng cảm biến chính xác. Hình 4.1 Giá trị điện trở theo nhiệt độ của RTD và đƣờng tham chiếu 83
Sự phức tạp của mạch xử lý tín hiệu nhiệt độ RTDs về căn bản phụ thuộc vào các ứng dụng. Các vấn đề nhƣ sự chính xác của dòng điện qua cảm biến, và điện áp đƣợc đo lƣờng đƣợc quan tâm chủ yếu. Một vài linh kiện cần thiết trong mạch, mỗi thứ đều gây ra sai số của nó. Các cảm biến nhiệt trở có thể hoạt động tốt ở điện áp thấp và có thể xem nhƣ không có giới hạn điện áp nhỏ nhất, và những bộ khuếch đại có thể khuếch đại các điện áp nhỏ lên để tăng tính chính xác. Hoạt động với năng lƣợng thấp là khó khăn hơn, nhƣng vẫn có thể thực hiện đƣợc đƣợc bằng một kỹ thuật phức tạp đó là kỹ thuật gián đoạn năng lƣợng. Khi cần sử dụng thì mới cấp nguồn cho cảm , năng lƣợng tiêu thụ là nhỏ nhất. RTDs có sự giảm sút ở vài ứng dụng. Cụ thể, chi phí của một đƣờng truyền Platin RTDs tƣơng đối cao. Mặt khác, một màng mỏng RTDs và các cảm biến đƣợc làm từ những kim loại khác chỉ tốn ít hơn một vài $. Ngoài ra, sự tự tỏa nhiệt cũng xảy ra trên những thiết bị này. Năng lƣợng đáp ứng cho cảm biến làm tăng nhiệt độ của nó, và ảnh hƣởng đến độ chính xác trong đo lƣờng. Các mạch điều khiển cảm biến với dòng vài mA có thể làm tăng những lỗi tỏa nhiệt ở vài độ. Đƣờng cong không tuyến tính của nhiệt điện trở là nhƣợc điểm trong một vài chức năng, nhƣng điều đó có thể dự đoán đƣợc và gần chính xác. 2 Thermistors: Một loại cảm biến điện trở khác là Thermistor. Những loại Thermistor giá thành thấp thƣờng đƣợc dùng để đo lƣờng các đại lƣợng đơn giản hoặc kiểm tra phát hiện những điểm lỗi trong các hệ thống chi phí thấp. Những Thermistor ít chính xác là không đắt, ở các thiết bị có giá thành cao hơn thì có thể đƣợc sử dụng cho việc đo chính xác các nhiệt độ đơn. Hàm toán học của một nhiệt điện trở Thermistor là không tuyến tính có thể đƣợc thấy ở hình 4_2. Bởi vậy, nếu một phạm vi nhiệt lớn đƣợc yêu cầu, nó cần thiết phải đƣợc tuyến tính hóa. Một lựa chọn khác là mua những thiết bị đã đƣợc tuyến tính hóa, thông thƣờng bao gồm một dãy hai Thermistor với vài điện trở đƣợc kết hợp với nhau. Những thiết bị này thƣờng đắt và kém nhạy hơn các thiết bị Thermistor đơn, nhƣng chúng lại hƣớng tới sự chính xác hoàn hảo. Các ứng dụng điều khiển nhiệt độ hoặc thiết lập nhiệt độ đơn giản có thể đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng Thermistor, nhƣng chúng đòi hỏi rất nhiều linh kiện nhƣ bộ so sánh, đệm, và điện trở rời. 84
Hình 4.2 Sự thay đổi điện trở Thermistor theo nhiệt độ Khi đòi hỏi về tính năng cao hơn, phức tạp hơn( ví dụ là nếu nhiều điểm sai sót hoặc việc đổi từ tƣơng tự sang số là cần thiết) thì kết cấu mạch điện và chi phí tăng nhanh. Do đó mà những Thermistor giá thành thấp sẽ chỉ chuyên dùng cho những tác vụ yêu cầu với chức năng tối thiểu, những Thermistor này có thể bị ảnh hƣởng bởi sự tự tỏa nhiệt, thƣờng là ở nhiệt độ cao thì điện trở của chúng nhỏ. Không có lý do gì để cho rằng Thermistor không nên dùng ở điện áp thấp. Những linh kiện tích cực bên ngoài nhƣ là bộ so sánh hoặc bộ khuếch đại sẽ thƣờng giới hạn mức điện áp thấp nhất của bộ nguồn. Các ứng dụng nguồn thấp thƣờng yêu cầu tăng độ phức tạp của mạch nhằm bù trở kháng tự nhiên cao(nhạy cảm với lỗi 85
nhiễu gây ra). Chúng ta vẫn nhận thấy vài Thermistor làm việc vƣợt quá phạm vi nhiệt cho phép từ - 150°C tới +550°C mặc dù là phạm vi phổ biến nhất cho vùng nhiệt để hoạt động là từ 100°C tới 150°C 3. Thermocouples(cặp nhiệt điện): Một cặp nhiệt điện thì bao gồm một sự nối liền giữa 2 dây có chất liệu khác nhau. Ví dụ, một cặp nhiệt ngẫu loại J đƣợc làm từ sắt và dây đồng-niken,nhƣ hình 4-3. Mối nối 1 là tại nhiệt độ đo đƣợc, mối nối 2, 3 đƣợc giữ ở một nhiệt độ khác. Điện áp ngõ ra tỷ lệ thuận với sự khác biệt nhiệt độ ở mối nối 1 và các mối nối 2,3. Thông thƣờng, dùng một cảm biến thứ 2 khác đo nhiệt độ ở mối nối 2,3 nhƣ hình. Cảm biến thứ 2 này cho phép khả năng phát triển một điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với độ chia thích hợp(ví dụ theo nhiệt độ) bằng cách thêm một điện áp cho ngõ ra cặp nhiệt có độ dốc tƣơng tự cặp nhiệt điện nhƣng có liên quan đến nhiệt độ của các mối nối 2 và 3. Hình 4-3 Sử dụng LM35 bù mối nối cặp nhiệt điện Do độ nhạy của cặp nhiệt điện là khá nhỏ khoảng 10µV/ °C, một bộ khuếch đại offset thấp đƣợc sử dụng để điện áp ngõ ra đạt ở mức yêu cầu. Sự không tuyến tính trong phần lớn hàm truyền nhiệt độ- điện áp (nhƣ hình 4-4), nhiều độ thì vƣợt quá phạm vi làm việc của cặp nhiệt điện, nhƣ với RTDs và thermistor, thƣờng bắt buộc có mạch bù hoặc bảng tra. Dù có những mặt hạn chế, tuy nhiên, cặp nhiệt điện vẫn rất phổ biến, bởi vì dãy nhiệt làm việc lớn, thông thƣờng lên đến 1700°C, bảng 4-5 cho biết hệ số Seebeck và dãy nhiệt làm việc của một vài cặp nhiệt điện. 86
Hình 4-4. (a) Ngõ ra điện áp nhƣ một hàm truyền nhiệt độ đối với cặp nhiệt loại J (b) Sai số của cặp nhiệt điện 87
Bảng 4-5 Sử dụng LM 35 bù mối nối lạnh của cặp nhiệt 4. Cảm biến nhiệt loại Silic: Các cảm biến nhiệt IC rất khác so với những loại cảm biến khác ở 2 khía cạnh sau. Đầu tiên là phạm vi nhiệt độ làm việc. Một IC cảm biến nhiệt có thể làm việc tốt ở ngoài phạm vi nhiệt từ -55°C tới +150°C( của một IC cảm biến nhiệt nhỏ bé). Một vài thiết bị thì vƣợt quá xa phạm vi này, trong khi một số loại khác do hạn chế về chi phí hoặc đóng gói nên phạm vi làm việc hẹp hơn. Thứ hai là chúng khác về mặt chức năng. Một cảm biến Silic là một mạch tích hợp, và có thể do vậy mà bao hàm cả mạch điện xử lý tín hiệu mở rộng trong cùng một đóng gói và đƣợc xem nhƣ là một cảm biến. Hơn nữa, một cảm biến Silic đơn giản, nhƣ một diode từ xa có thể đo nhiệt độ mối nối của một IC số có độ tích hợp cao (Vi xử lý, FPGA) một cách dễ dàng. Không cần thiết tạo ra những mạch bù mối nối lạnh hay mạch tuyến tính hóa cho những IC cảm biến nhiệt, và nếu không có những yêu cầu về hệ thống cực kỳ chuyên biệt thì sẽ không cần thiết để thiết kế các bộ so sánh hay chuyển đổi tƣơng tự sang số (ADC). Những ứng dụng đó đã đƣợc xây dựng thành các IC thƣơng mại. Chi tiết sẽ đƣợc trình bày ngay phần sau. 88
5. IC cảm biến nhiệt độ Các IC cảm biến khác nhau nhiều về độ phức tạp, phân loại từ cảm biến có ngõ ra tƣơng tự cho đến các cảm biến số với nhiều đặc trƣng khác nhau. Ngƣời ta tạo ra rất nhiều loại IC cảm biến nhiệt nhằm dự trù cho việc sử dụng mỗi cảm biến ở mỗi khoảng nhiệt độ phù hợp. Đó là các mạch tƣơng tự, ngõ ra có thể là áp hoặc dòng điện. Kết hợp những mạch cảm biến tƣơng tự với bộ so sánh điện áp để mang lại những chức năng bộ điều nhiệt hay chuông cảnh báo. Một số IC cảm biến khác kết hợp mạch cảm biến tƣơng tự với ngõ I/O số và các thanh ghi điều khiển mang lại những giải pháp số đơn giản cho các hệ thống tích hợp cao. Thậm chí là những sự tích hợp cao hơn cũng đã thành công bao gồm các cảm biến diode từ xa, sự quản lý điện áp, và bộ điều khiển quạt gió, khiến chúng trở thành một giải pháp lý tƣởng cho các hệ thống nền tảng vi xử lý, từ những hệ thống nền tảng vi điều khiển cho tới máy tính cá nhân, nơi yêu cầu các quạt gió đƣợc điều khiển tự động cho việc giảm thiểu hóa tiếng ồn và làm mát. 5.1 Cảm biến nhiệt ngõ ra tƣơng tự - điện áp: 5.1.1 Cảm biến nhiệt tƣơng tự cho phép lựa chọn độ lợi LM94022: LM94022 là một cảm biến nhiệt loại CMOS có ngõ ra tƣơng tự, giá trị điện áp ngõ ra tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Cảm biến có độ sai biệt tối đa là ± 1,5°C khi đo từ 20°C tới 40°C và ± 1,8°C khi nhiệt độ đo từ 0°C tới 70°C. Nó làm việc với điện áp nguồn cung cấp thấp là 1,5V và cao là 5,5V, và nó là thế hệ sau của LM20, cảm biến nhiệt tiêu chuẩn công nghiệp. Dòng điện cung cấp thấp và đóng gói SC-70 nhỏ gọn của cảm biến LM94022 khiến nó trở nên lý tƣởng trong các ứng dụng của hệ thống cầm tay, di dộng và các ứng dụng thông dụng. Hai ngõ vào logic, GS0 và GS1 dùng để chọn độ lợi của hàm (rất) tuyến tính nhiệt độ sang điện áp ngõ ra. Có 4 độ lợi cho phép lựa chọn là: - 5.5mV/°C, -8.2 mV/°C, -10.9 mV/°C, -13.6 mV/°C. Ví dụ, ở cấu hình có độ lợi thấp nhất thì cả GS0 và GS1 đƣợc kéo xuống mức thấp, cảm biến LM94022 có thể làm việc với nguồn cung cấp là 1.5V, khi đó nó có thể đo lƣờng đƣợc nhiệt độ từ - 50°C tới +150°C. Với điện áp nguồn cao, thì độ lợi cao hơn có thể đƣợc dùng để tối ƣu độ nhạy nhiệt và sự giảm nhiễu hệ thống 89
Hình 4-5 IC cảm biến LM94022 Nhiều ứng dụng của cảm biến nhiệt tƣơng tự sử dụng ADC để lấy mẫu điện áp ngõ ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ tƣơng tự. Những ADC này có thể tách rời hay đƣợc tích hợp bên trong một xử lý hay một vi đi khiển. Ngõ ra của LM94022 đƣợc tối ƣu điều khiển tầng ngõ vào của ADC và tụ lọc thƣờng có ở ngõ vào của ADC. LM94022 có thể điều khiển một tải điện dung tối đa là 1100pF( giống nhƣ một tụ lọc lớn 1nF ±10%) mà không cần điện trở mắc nối tiếp bên ngoài để ổn định ngõ ra của nó. Hơn nữa, độ lớn của nguổn dòng ±50 µA có thể đƣợc thiết kế để đáp ứng yêu cầu dòng ngõ vào của ngõ vào tụ chuyển mạch của ADC mà không cần cổng đệm.Việc loại trừ các linh kiện thêm vào này có thể tiết kiệm chi phí cho hệ thống và kích thƣớc của board. Hình 4.6 Cảm biến nhiệt LM94022 thì lý tƣởng cho việc lái ngõ vào của ADC 90
Trích ngang một số đặc tính từ datasheet của LM94022 5.1.2 Cảm biến nhiệt độ LM20: LM20 đã từ lâu là một thiết bị tiêu chuẩn trong công nghiệp trong lĩnh vực cảm biến nhiệt. Nó là một cảm biến nhiệt CMOS chính xác và có điện áp ngõ ra tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Ngõ ra tƣơng tự thì có tính chất tuyến tính hơn hẳn, với hình dáng parabol nhỏ và có hệ số qui đổi bé -11.7 mV/°C. LM20 có thể đo đƣợc từ -55°C tới +130°C với nguồn cung cấp là điện áp đơn từ 2.7V tới 5.5V. LM20 thích hợp cho những ứng dụng và hệ thống có vùng làm việc lớn, LM20 là có thể ở trong những module SC70-5 hoặc SMD. 91
Hình 4.7 Cảm biến LM20 và một số đặc tính 92
5.1.3 Cảm biến nhiệt Kelvin LM135, LM235, LM335: Các cảm biến này có điện áp ngõ ra có tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối với một hệ số nhiệt nhỏ là 10mV/K . Điện áp ngõ ra nhỏ với 2.73V tƣơng ứng 0°C và 3.73V tƣơng ứng 100°C. Những cảm biến này làm việc thông thƣờng nhƣ 2 đầu điện áp shunt chuẩn và đƣợc kết nối nhƣ hình 4-8. Đầu thứ 3 cho phép hiệu chỉnh độ chính xác sử dụng một biến trở tinh chỉnh nhƣ hình vẽ. Sai số của cảm biến LM135 khi làm việc trong khoảng nhiệt từ -55°C tới +150°C không sử dụng biến trở tinh chỉnh là ± 2.7°C. Khi sử dụng biến trở tinh chỉnh bên ngoài để điều chỉnh độ chính xác thì sai số là ±1°C với cùng khoảng nhiệt làm việc. Các cảm biến loại này thƣờng có trong đóng gói lastic nhƣ là TO-92 hay SO-8 hoặc trong hộp kim loại nhƣ TO-46. Hình 4-8 Kết nối điển hình của LM135, LM235 và LM335 93
5. 1.4 Cảm biến nhiệt Celsius loại LM35 và LM45: Cảm biến LM35 và LM45 có ba chân ra, điện áp ngõ ra có tỷ lệ thuận với °C(10mV/°C), vì thế mà điện áp ngõ ra là 250mV ở 25°C và 1000mV ở 100°C. Chúng có khả năng đo nhiệt độ âm bằng cách sử dụng điện trở kéo xuống từ chân ngõ ra tới một điện áp thấp hơn mass (<0V) . LM35 thì chính xác hơn LM45(LM35: ±1°C khi làm việc từ -55°C tới +150°C, LM45: ±3°C khi làm việc - 20°C tới +100°C). LM35 có trong đóng gói plastic nhƣ là TO-92 hay SO-8 hoặc hộp kim loại nhƣ TO-46. Hình 4.9 Cảm biến LM35 và LM45 trong cách mắc điển hình 5.1.5 Cảm biến nhiệt Fahrenheit loại LM34: LM34 giống với LM35, nhƣng điện áp ngõ ra có tỷ lệ thuận với độ F(10mV/°F). Độ chính xác tƣơng tự LM35(± 2°F từ -50°F tới +300°F), và nó cũng có thể trong các linh kiện giống với LM35 nhƣ: TO-92,SO-8, TO-46. 94
Hình 4.10 LM34 và hình dạng thực tế 5.1.6 Cảm biến nhiệt Celsius nguồn đơn LM50: LM50 đƣợc gọi là cảm biến nguồn đơn vì nó không giống LM35 hay LM45, nó có thể đo đƣợc nhiệt độ âm mà không cần dùng một điện trở nối chân ngõ ra kéo xuống điện áp âm. Điều này giúp đơn giản kết cấu mạch điện. Điện áp ngõ ra của LM50 có độ dốc 10mV/°C và bù offset 500mV. Do vậy, điện áp ngõ ra là 500mV ở 0°C,và 100mV ở -40°C, và 1.5V ở +100°C. Độ chính xác là khoảng 3°C trong khoảng từ -40°C tới +125°C. LM50 có thể nằm ở trong SOT_23 95
Hình 4.11 Cảm biến LM50 5.1.7 LM60 - Cảm biến nhiệt Celsius nguồn đơn 2.7V: LM60 giống với LM50, nhƣng nó có xu hƣớng sử dụng trong các ứng dụng làm việc với điện áp thấp 2.7V. Nguồn dòng cực máng 110µA của nó đủ nhỏ để LM60 là một linh kiện lý tƣởng trong những hệ thống sử dụng pin. Điện áp ngõ ra của LM60 có độ dốc là 6.25mV/°C và bù offset 424mV. Kết quả này trong thể hiện nhƣ sau: điện áp ngõ ra là 424mV là ở 0°C, 174mV ở -40°C, và 1.049V ở 100°C. LM60 thƣờng đƣợc đóng gói SOT-23. Hình 4.12 Cảm biến LM60 96
Điện áp ngõ ra đƣợc tính nhƣ sau: 5.2 Cảm biến ngõ ra tƣơng tự - dòng: Cảm biến nhiệt ngõ ra dòng loại LM134,LM234,LM334: Mặc dù datasheet của chúng gọi chúng là nguồn dòng có thể điều chỉnh, chúng cũng là một cảm biến nhiệt với ngõ ra là dòng và dòng ngõ ra tỷ thuận với nhiệt độ. Độ nhạy đƣợc thiết lập với một điện trở bên ngoài. Độ nhạy điển hình là từ 1µA/°C tới 3 µA/°C. Bằng cách điều chỉnh giá trị của biến trở tinh chỉnh bên ngoài, thì độ nhạy có thể đƣợc tinh chỉnh với độ chính xác tốt trong khoảng nhiệt độ làm việc(từ -55°C tới +125°C đối với LM134, từ -25°C tới +100°C đối với LM234, từ -0°C tới +70°C đối với LM334). Ba loại cảm biến này chỉ cần điện áp nguồn là 1.2V, vì thế mà chúng rất có ích trong những ứng dụng với những nơi có điện áp bị giới hạn. Những loại này có các kiểu đóng gói là TO_92, SO-8, TO-46. 97
Hình 4.13 Kết nối thông thƣờng LM134. RSET điều chỉnh dòng ngõ ra theo nhiệt độ 98
5.3 Cảm biến nhiệt độ có bộ so sánh ngõ ra: 5.3.1 LM26LV: Chuyển mạch nhiệt độ chính xác, nguồn nuôi thấp: LM26LV là một cảm biến analog chính xác, điện áp thấp, một chuyển mạch nhiệt độ thì nhỏ, 2.2 mm x 2.5 mm. Hoạt động với điện áp cung cấp thấp là 1.6V và cao là 5.5V, nó bao gồm một bộ cảm biến nhiệt độ analog (giống nhƣ cảm biến LM94022) điện áp ngõ ra tỉ lệ nghịch với nhiệt độ đo. LM26LV cũng có tính năng của một chuyển mạch nhiệt độ, đầu ra tích cực cả mức cao và mức thấp, khi hoạt động nhiệt độ đo ngƣỡng giới hạn (hình 2-10). Hình 4.14 LM26LV có các thuộc tính của một chuyển mạch nhiệt độ và ngõ ra nhiệt độ tƣơng tự Nhiệt độ ngƣỡng đƣợc thiết lập tại nhà máy, cho bất kỳ nhiệt độ trong khoảng 0 ° C đến 150 ° C, với cách biệt là 1°C. Khi cảm biến LM26LV đƣợc đặt vào hệ thống, nó có thể đƣợc kiểm tra trong khi đang hoạt động bằng cách đƣa xung cạnh lên đến chân TRIPTEST (hình 4.15). Thử nghiệm này cho kết quả là các đầu ra đều đƣợc tích cực, xác minh sự hoạt động tốt của bộ so sánh bên trong. 99
Thế hệ tiếp theo LM26LV, là cảm biến nguồn thấp rất phổ biến LM26 và LM27. Thiết bị LM26LV là rất thích hợp cho các ứng dụng ở nơi nhiệt độ hiện tại phải đƣợc theo dõi và sự báo động quá nhiệt là cần thiết. Ngoài hoạt động điện áp thấp, nó cũng có một ngõ ra analog đƣợc tăng cƣờng . Ngõ ra VTEMP là nguồn mạnh, khả năng hút dòng cũng lớn , có thể hoạt động tốt với tải dung lớn, rất thích hợp làm ngõ vào cho một ADC. Hình 4.15 Ngõ vào TRIP TEST cho phép kiểm tra các chân OVERTEMP dễ dàng 5.3.2 Chuyển đổi nhiệt độ LM26 và LM27 : Các cảm biến LM26 và LM27 là các chuyển mạch nhiệt độ chính xác, độ tích hợp cao. Cả hai thiết bị đƣợc đóng gói SOT -23. Giá trị các điểm ngƣỡng đƣợc đặc trƣớc tại nhà máy . Chuyển mạch LM26 có tầm hoạt động rộng từ -55°C đến 125°C. Chuyển mạch LM27 sẽ hoạt động từ -40 ° C đến 150 ° C và đƣợc tối ƣu hóa tại giá trị từ 120°C đến 150°C. Ngõ ra tín hiệu logic có thể đƣợc đặt nhƣ là một tín hiệu báo quá nhiệt hoặc thấp nhiệt. Nó cũng là một cực máng hở tích cực thấp hoặc một ngõ ra đẩy-kéo tích cực cao. Ngõ vào số HYST cho phép lựa chọn giá trị trễ hoặc là 2°C ( kết nối với VDD) hoặc là 10°C (kết nối với GND). Ngõ ra cảm biến nhiệt độ analog (VTEMP) là điện áp tỷ lệ nghịch với nhiệt độ đo. Ngõ ra 100
này có khả năng điều khiển tải rất yếu và có thể bị quá tải với dòng 1,5 mA. Một trong những cách đơn giản để kiểm tra mạch so sánh bên trong và chức năng mạch ngõ ra sau khi lắp ráp là tác động lên chân VTEMP xem sự thay đổi trạng thái ngõ ra. Hình 4.16: Chuyển mạch nhiệt độ LM26/27 101
5.3.3 LM56 : Thiết bị điều nhiệt công suất thấp Thermostat(thiết bị điều nhiệt) LM56 bao gồm một cảm biến nhiệt độ (tƣơng tự nhƣ LM60), một điện áp tham chiếu 1.25V, và hai là so sánh cho phép thiết lập thời gian trể. Điện áp nguồn cung cấp cho nó hoạt động từ 2.7V đến 10V, và dòng tiêu thụ tối đa 200μA từ nguồn cung cấp. Phạm vi nhiệt độ hoạt động là -40°C đến 125°C. Sai số của tất cả các khối bao gồm tất cả các tham chiếu bộ cảm biến và bộ so sánh (nhƣng không bao gồm lỗi điện trở bên ngoài) là 2°C từ 25°C đến 85°C và 3°C từ -40°C đến 125°C. Cảm biến nhiệt độ bên trong có ngõ ra là: 6,2 mVxT (° C) + 395 mV. Ba điện trở bên ngoài thiết lập các ngƣỡng cho hai bộ so sánh Hình 4.17 (a) Sơ đồ khối đƣợc đơn giản của LM56 (b) Đƣờng cong đáp ứng nhiệt độ của LM56 102
5 .4 Cảm biến đầu ra digital : Ngày nay với công nghệ tích hợp ngày càng cao, yêu cầu của một cảm biến không chỉ là “một cảm biến” đơn thuần. Một số cảm biến đã tích hợp sẵn các bộ chuyển đổi ADC bên trong, ngõ ra là số và đƣợc xây dựng theo các tiêu chuẩn: 2 dây, 1 dây, SPI. Do phần này đòi hỏi một kiến thức khá chuyên sâu, nên tác giả xem lƣợt bỏ bớt và chỉ trình bày một số thiết bị tƣơng độ phù hợp với mục tiêu xây dựng ban đầu của quyển sách này. Phần chi tiết bên dƣới xin trình bày một cảm biến ngõ ra số, khá hay trong lĩnh vực điều khiển hiện nay là DS12B08 5.4.1 Mô tả chức năng và sơ đồ chân 103
Hình 4.18 Sơ đồ chân và hình dáng thực tế DS18B20 DS18B20 là cảm biến nhiệt độ số có độ phân giải từ 9-12bit giao tiếp với vi điều khiển(master) thông qua 1 dây duy nhất (1 wire communication). DS18B20 hoạt động với điện áp từ 3V-5.5V có thể đƣợc cấp nguồn qua chân DQ- chân trao đổi dữ liệu. Nó có thể đo nhiệt độ trong tầm -55 đến 125 0C với độ chính xác ± 0.5 OC. Mỗi DS18B20 có một Serial code 64bits duy nhất, điều này cho phép kết nối nhiều IC trên cùng đƣờng bus. Hình4.19 DS18B20 sử dụng nguồn kí sinh trong suốt quá trình chuyển đổi 104