Mạch đo nhiệt độ hiển thị ra đèn LED

MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ RA ĐÈN LED Mục lục CHƯƠNG 1.MỞ ĐẦU 1.Tổng quan: Kĩ thuật số ,một lĩnh vực không còn mang tính thời sự nóng bỏng nhưng vẫn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ , đã đang từng ngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta .Nhưng trong thưc tế các dạng năng lượng thường ở dạng tương tự .Do đó muốn xừ lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số . Xuất phát từ ý tưởng đó, em đã thưc hiện việc xây dựng một mạch điện đo nhiệt độ hiển thị ra đèn LED .Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm thưc tế về vấn đề chuyển đổi ADC , vấn đề xử lí tín hiệu số và vấn đề đo lường các đại lượng không điện bằng điện . Để thưc hiện được đề tài này ,dưới sự hướng dẫn của cô giáo THÚY ANH , em đã tham khảo một số sách như: KỸ THUẬT SỐ THỰC HÀNH của tác giả ĐẮC THẮNG ĐO LƯỜNG CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN BẰNG ĐIỆN ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ 2.Nôi dung báo cáo : Chương 1:Tổng quan Chương 2:Vấn đề chuyển đổi ADC Chương 3:Vấn đề chuyển đổi nhiệt - điện Chương 4:Vấn đề thiết kế mạch đo Chương 5:Kết quả thu được CHƯƠNG 2 .VẤN ĐỀ CHUYỂN ĐỔI ADC(sử dụng mạch so sánh) 1 . MẠCH SO SÁNH: Ta quan tâm đến vấn đề mạch so sánh Ura ở mức cao biểu thị cho mưc logic high Ur Uthấp Ura u=U1-U2 phần chuyển tiếp Ucao U1 U2 + - Ura ở mức thấp biểu thị cho mức logic low 2 . Mạch ADC kiểu so sánh song song : Mạch ADC kiểu so sánh // n bit BỘ Mà HOÁ Urep 1LSE U1 U2 Uin MSB R LSB 2 mũ n trừ1 mạch so sánh n bit đầu ra _Ví dụ với số bit la` 3 thì có 7 bộ so sánh D Q7 _ Q7 D Q5 _ Q5 D Q3 _ Q3 D Q1 _ Q1 D Q2 _ Q2 D Q6 _ Q6 C4 C3 D Q4 _ Q4 C2 C1 C5 C6 C7 Urep R/2 Uo R R R R R R R/2 MSB 2SB LSB Nor bộ giải mã Đầu vào chia làm tám giải điện áp .6 dải đầu có giá trị la` S=Uo/7,2dải còn lại co giá trị la` S/2=Uo/14 Uv trong khoảng 0- Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 000 Uv trong khoảng Uo/14- 3Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 001 Uv trong khoảng 3Uo/14- 5Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 010 Uv trong khoảng 5Uo/14- 7Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 011 Uv trong khoảng 7Uo/14- 9Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 100 Uv trong khoảng 9Uo/14- 11Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 101 Uv trong khoảng 11Uo/14- 13Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 110 Uv trong khoảng 13Uo/14- Uo thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 111 3 . Mạch ADC kiểu đếm: Tín hiệu số ra Uv S Q _ R Q DAC mạch đếm Uss Udac RESET Cp mạch bao gồm mạch so sánh , FlipFlôp RS ,cổng ANDđẻ đóng mở bộ giao động chuẩn Cp mạch đếm nbit mắc thành vòng hồi tiếp mạch đếm và FlipFlop được reset nên điện áp ra UDAC của bộ DAC =0 và cổng and mở ra cho xung Cp vào mạch đếm.lúc nay điên áp vào Uv lớn hơn Udac nên điện áp so sánh Uss o tri số thấp.Udac tăng theo bâc hình thang cho đến khi lớn hơn Uv thì Uss chuyển về mức giá trị cao ,qua FlipFlop RS làm Q đảo =0 dãn đến đóng cổng And .Lúc này tín hiệu trong mạch đếm la` tín hiệu số nbit tương ứng của tín hiệu vào Uv . Mạch này chỉ áp dụng cho trường hợp Uv biến đổi tương đối chậm khi đó giá trị số ở đầu ra ADC tuy rời rạc nhưng khá trung thực . Cần lưu ý thêm sau mỗi lần chyển đổi các dữ liệu số thu đươc cần phải đưa vaò mạch lưu trữ hoặc chuyển đến bộ phân sư lý trước khi reset toàn mạch 4 . Mach ADC sử dụng điện áp răng cưa: Uv Cp R Q _ S Q Mạch tạo điện áp răng cưa mạch đếm Uss đầu ra số RESET _Tín hiệu điện áp răng cưa là tín hiệu điên áp tăng dần theo thời gian với độ dốc là hằng số.Khi kích thích điều khiển thì FF được đặt khiến đầu ra Q=1 nên mở cổng AND cho xung nhịp Cp vào mạch đếm , đồng thời điện thế Udl tăng dần cho đến khi Udl >Uv thì Uss chuyển lên mức cao làm FF được đặt lại ,Q=0 .Do đó cổng AND bị khóa và mạch đếm ngừng lại , Uss cũng có thể được dùng để reset, mạch dốc lên . 5 . Mạch ADC so sánh liên tục:điện áp vào Tín hiệu số ra Mạch Điều Khiển Mạch Đếm DAC đếm xuống đếm lên Udac Dao động chuẩn Uss Mach cho phép tín hiệu đầu vào Uv biến thiên nhanh hơn. _Nguyên lý hoạt động :khi sự khác biệt giữa Uv và Udac dến một giá trị nào đó do phần chuyển tiếp của mach so sánh quyết định thì Uss sẽ ở một trong 2 trị số Ucao hoăc Uthấp .Mạch diều khiển căn cứ vào Uss để đưa tín hệu ra đếm lên hay dếm xuống vào mạch đếm va` do đó Udac sẽ biến đổi theo .Tuy nhiên Udac còn bi giới hạn bởi tần số của mạch dao động chuẩn nên chỉ có thể bám theo được nhưng biến thiên của tín hiệu đầu vào đến một tốc độ nào đó. 6 . Mạch ADC xấp xỉ liên tiếp :Mạch điều khiển Mạch ghi DAC Udac Uss Dao động chuẩn Uvào Tín hiệu số ra _Mạch có dạng tương tự mạch so sánh liên tuc nhưng ở đây người ta xử dụng một mạch ghi thay thế cho mạch đếm tương ứng .Mạch này cũng dùng để giảm bớt thời gian chuyển đổi .Khimạch ghi ở trang thái reset (000) sau đó mạch điều khiển kích thích để bit lớn nhát đổi trang thái . Có hai trường hợp xảy ra : _Udac lớn hơn Uv thì bit này bị bỏ đi _Udac nhỏ hơn Uv thì bit này đươc duy trì . Sau đó bit kế tiếp xuất hiện va` cứ tiếp tuc như vậy cho đến khi Udac xấp xỉ Uv với một sai số nhất định với phương pháp này thời gian chuyển đổi dài nhất là 2n lần chu kì xung của giao động chuẩn đối với mạch Nbit .Trong khi đó nếu so sánh với phương pháp kia thì thời gian tối đa có thể là (2mũ n) -1 lần chu kì xung chuẩn nhưng với mạch dạng này có nhươc dim là mạch diều khiển rất rắc rối 7 . Độ chính xác của mạch chuyển đổi tương tự_số : a)Sai số tĩnh : khi mạch làm việc thường xuất hiện sai số hệ thống .Các sai số lượng tử bằng một nửa giá trị điện áp ULSB cần thiết thêm vào điện áp Uv để làm thay đổi 1mã của một bit. Bên cạnh đó còn có sai số do kết cấu của mạch gây ra .Vì vậy , trên lý thuyết ,các điểm giữa của các bậc trên đường gấp khúc nối với nhau thành một đường thẳng với 1hệ số góc nhất định xuât phát từ gốc toạ độ nhưng trong thực tế , đường nối đó không phải là một đường thẳng mà là một đường gấp khúc và cũng không xuất phát từ gốc toạ độ.Các sai số do kết cấu của mạch gây ra càng ngày càng được khắc phục tốt hơn để tạo ra ADC gần như lý tưởng . b)Sai số động : Tín hiệu đầu vào lien tục biến đổi vì vậy người ta phải tiến hành lấy mẫu tín hiệu qua các khoảng thời gian bằng nhau gọi là chu kỳ lấy mẫu .Các dữliệu thu được sẽ được chuyển thành dàng số nhờ các ADC . c)Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của ADC: +Phần tạo tín hiệu so sánh : nếu phần tạo tín hiệu so sánh là mạch DAC thì độ phân giải , độ tuyến tính và độ chính xác của mạch này cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của toàn mạch . +Phần tạo so sánh : Đối với mạch so sanh ,chính khoảng chuyển tiếp của tín hiệu vào là yếu tố quan trọng gây ra sư kém chính xác của mạch .Ngoài ra khoảng chuyển tiếp thay đổi theo trị tuyệt đối của điên áp vào và nhiệt độ nên xảy ra hiện tương không tuyến tính trong phép so sánh . Độ chính xác của mạch ADC còn phụ thuôc vào độ ổn định của mạch dao động chuẩn và thời gian giao hoán của cổng logic. 8. Vấn đề giải mã để hiển thị số: Giả sử sau khi đã biến đổi điện áp tương tự thành tín hiệu số mã nhị phân BCD , ta lại phải tiếp tục chế biến tín hiệu này để hiển thị được bằng đèn LED 7 thanh . Ta lập được bảng chân lý sau: D C B A A B c d e f g 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 Ta coi các thanh đèn sang là biểu thị cho mức 1 ,tối là biểu thị cho mức 0.Như vậy , giá trị sáng tối củacác thanh đèn là các hàm logic đối với các biến mã nhị phân BCD .Ta sẽ tiến hành tối thiểu hoá các hàm logic này ,rồi xây dựng mạch giải mã (chỉ xét hàm a(A,B,C,D) lấy làm tiêu biểu ). Căn cứ vào bảng trên và sử dụng bảng CACNO để tối thiểu hoá ta có : 1 0 1 1 0 1 1 1 X X X X 1 1 X X a=B+D+A.C+A.B.C.D Từ phương trình trên ta xây dựng được một mach logic dựa trên các phần tử cơ bản như sau : A B C D a b c e f g d Tương tự như vậy đối với các thanh b,c,d,e,f,g . Như vậy , ta đã xây dựng xong mạch giải mã tín hiệu nhị phân BCD thành tín hiệu đèn LED 7 thanh.Sau đó , ta chỉ việc sử dụng những ÍC tích hợp sẵn các cổng logic cơ bản để thiết kế sơ đồ mạch giải mã thực tế 9. Lưa chọn phương pháp biến đổi điện áp tương tự thành tín hiệu số: Ta lựa chọn phương pháp ADC kiểu đếm vì các lí do sau: Vi mạch sử dụng phương pháp biến đổi này rất thông dụng ,dễ kiếm và rẻ còn tiền . Tương đối thoả mãn các yêu cầu về kỹ thuật,cho phép cho ra được kết quả tương đối chính xác , sai số ở trong mức giới hạn cho phép . Có cả IC biến đổi ADC kiểu đếm được chế tạo kết hợp với bộ giải mã để cho ra ở đầu ra là mã 7thanh tương thích với hiển thị(IC7017)đèn LED (cũng là loại đèn hiển thị số rất thông dụng ,dễ kiếm và rẻ tiền) . Có thể sử dụng trực tiếp vi mạch này như một Milivonmet nên rất thuận tiện cho việc thiết kế mạch đo. CHƯƠNG 2. VẤN ĐỀ BIẾN ĐỒI NHIỆT èĐIỆN ĐỂ ĐO NHIỆT ĐỘ 1 . Vào đề : Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giải nhiệt độ _Phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp va` đo gián tiếp +Đo trưc tiếp la` phương pháp đo trong đó cac chuyển đổi nhiệt điện đươc đặt trực tiếp trong môi trường cần đo. +Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi trường cần đo(áp dụng vơi trường hơp đo ở nhiệt độ cao ). Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp vì giải nhiệt độ cần đo không phải ở quá cao. Đo nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát 2 loại nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu và nhiệt kế nhiệt điện trở. 2 . Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu : _Cấu tạo : Gồm hai thanh kim loại a,b được hàn với nhau tại một đầu t1 hai đầu t0 la` đầu tự do . _Nguyên lý làm việc dựa trên hiệu ứng Thomson và hiệu ứng seebek :khi nhiệt độ ở đầu t1 khác nhiệt độ ở đầu t0 chúng sẽ tạo nên mọt suất điện động: Eab(t1,t0)=Eab(t1)-Eab(t0).Nếu giữ nhiệt độ ở đầu t0 không đổi thì: Eab(t1,t0)=Eab(t1-c)=F(t1). _Sơ đồ nguyên lý của nhiẹt kế ngẫu là 1mili vôn mét Rđc Rf to to to A B C Rd IO M N mV Rp t1 +Rd: điện trở đường dây (quy định là 5 vôn) +Rdc: điện trở điều chỉnh (điều chỉnh cho Rd =5ôm) _Những nguyên nhân gây sai số ; Điện trở mạch đo thay đổi khi nhiệt độ môi trường thay đổi. UMN=IRv(Rv là điện trở minivônmét) I=Et/(2Rd+Rdc+Rab+Rv) (Rab là điện trở cặp nhiệt kế ) èUmn=Et.Rv/(2Rd+Rdc+Rab+Rv) Umn=Et.Rv/(Rmd+Rv)Rmd(là điện trở mạch đo)=2Rd+Rdc+Rab. Mặt khác ta có Umn=I.Rv =Et-I.Rmđ èUmn<EtèRv càng lớn thì sai số càng giảm Nhiệt độ đầu tự do to đươc duy trì ở nhiệt độ chuẩn không độ C nhưng thực tế lại khác nên Et thực tế thường nhỏ hơn trên lý thuyết èPhương pháp khắc phục :có 2 phương phap : giữ ổn nhiệt độ đầu to hoăc dùng thiết bị bù nhiệt. Với cách thứ nhất ta chỉ viêc ngâm đầu to vào nước đá còn cách thứ 2 ,ta có sơ đồ mạch điện như sau: BỘ NGUỒN d c b a to to Rt R R R Rđc a b t1 R1,R2,R3làm bằng Mangani Rt là điện trở động . Nguyên lý hoạt động :khi nhiệt độ thanh tư do thay đổi thì Rt thay đổi làm cho mạch bù mất cân bằng dẫn đến việc xuất hiện điện áp Ucd bù vào sức điện động bị thay đổi. Ta có : Eab(t1,to)= E’ab(t1,to)+Ucd 3 . Nhiệt kế điện trở :dùng nhiệt điện trở(là môt thiết bị biến đổi nhiệt độ thành sự thay đổi thương số điện trở R:Rt=f(t) ) +Phân ra làm 2 loại : -Nhiệt điện trở kim loại :thuường đươc làm bằng Niken,Cu,platin Quan hệ R-t: Rt=Ro(1+at) Ro: điện trở ở nhiệt độ chuẩn . a:hệ số nhiệt độ . t:nhiêt độ môi trường . Dải nhiệt độ:50è 200 độ C . - Nhiệt điện trở bán dẫn : Chế tạo từ hỗn hợp các chất oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO,MgẠl2O2 Đăc tính quan trọng của nó là có độ nhạy nhiệt rất cao gấp hàng chuc lần loại trên. Dải nhiêt độ rất rộng Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ: Rt=Ro. Exp[B.(1/T-1/To) ] Trong đó: To là nhiệt độ chuẩn tuyệt đối Ro la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ To Rt la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ T của môi trường B là hằng số có giá trị từ 3000 đến 5000 K Giá trị điện trở thường cỡ 50 Ôm è500 Ôm - Đo nhiệt độ =diot va tranzitor Linh kiện điện tử rất nhạy nhiệt nên ta có thể sử dụng 1số linh kiện bán dẫn như diot hoặc tzt nối theo kiểu Điot(barơ nối với Colector)b) a) U B C U I E Khi đó điện áp U giữa hai cực của ĐIôt là hàm của nhiệt độ . Độ nhạy được xác định theo biểu thức : S=dU/dt (độ nhạy có giá trị thường cỡ 2.5 mV/độ C) Để tăng độ tuyến tính, độ ổn định và khả năng thay thế người ta thường mắc theo sơ đồ hình bên :U1 U1 I2 I1 T1 T2 Khi nhiệt độ thay đổi ta có : Ud=Ebe1-Ebe2=(K.T.ln(Ic1/Ic2))/q Trong đó:K là hệ số T là nhiệt độ môi trường tính theo độ K q là điện tích Ic1 là dòng collector cua tzt1 Ic2 là dòng collector cua tzt 2 Với tỉ số Ic1/Ic2=const thì Ud tỉ lệ thuận với nhiệt độ T mà không cần nguồn ổn định. Độ nhạy nhiệt của mạch của mạch này được xác định theo biểu thức sau: S=d(U1-U2)/dT Hiện nay trên thị trường có sẵn những IC tích hợp sử dụng phần tử bán dẫn làm nhiệm vụ cảm biến nhiệt rất tiện lợi. 4. L ựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt năng thành điện năng Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt áp dụng vào thiết bị đo nhiệt độ đang là một phương pháp rất phổ biến , tiện lợi . Do đó , em đã lựa chọn phương pháp này áp dụng vào trong đề tài của mình.Hơn nữa , như em đã nói ở trên phần tử bán dẫn rất nhạy nhiệt nên nó đảm bảo được độ chuẩn xác tương đối cao ,thoả mãn được tiêu chuẩn yêu câu, chấp nhận được . Đặc tính của một số IC thông dụng : +AD590 : Ngõ ra là dòng điện Độ nhạy là 1A/độ K Độ chính xác là +4độ C Nguồn cung cấp :4à30 V Dải nhiệt độ từ -55độ C đến 150 độ C +LX5700 Ngõ ra là điện áp Độ nhạy là 10mV/độ K Dải nhiệt độ :-55độ C đến 150 độ C +LM135, LM335: Ngõ ra là điện áp Độ nhạy là 10mV/độ K Dải nhiệt độ :-55độ C đến 150 độ C Sai số cực đại là 1,5 độ C khi nhiệt độ đo lớn hơn 100 độ C CHƯƠNG 4 . XEM XÉT VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO TỪNG BỘ PHẬN 1 . Cấu trúc cơ bản của một dụng cụ đo nhiệt độ: Một dụng cụ đo nhiệt độ bao gồm ba thành phần chính : Bộ chuyển đổi nhiệtà điện Mạch đo Bộ chỉ thị kết quả -Phần chuyển đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng để đo. -Phần mạch điện để thực hiện các tính toán, so sánh cho ra kết . --Phần chỉ thị kết quả để cho ra thông tin ở một dạng xác định . 2.Phân loại dụng cụ đo: -Dựa theo cách biến đổi năng lượng thì các dụng cụ đo được phân ra làm hai loại là: +Dụng cụ đo biến đổi thẳng +Dụng cụ đo biến đổi bù -Dựa theo phương pháp so sánh thì các dụng cụ đo được phân ra làm 2 loại là : +Dụng cụ đo đánh giá trực tiếp +Dụng cụ đo kiểu so sánh -Dựa theo phương pháp đưa thông tin ra thì các dụng cụ đo đươc phân ra làm 2loại: +Dụng cụ đo tương tự +Dụng cụ đo số -Dựa theo đại lượng đo như: Vôn,Ampe, Ôm… người ta phân dụng cụ đo ra làm nhiều loại khác nữa. Ở đây mạch đo em thiết kế là mạch đo biến đổi thẳng ,dùng phương pháp đo kiểu so sánh , thông tin đưa ra dưới dạng số . . 3. Sơ đồ nguyên lí chức năng : Xung nhịp Bộ cảm biến nhiệt Bộ biến đổi nhiệt àđiện Bộ khuếch đại Bộ biến đổi A/D Bộ chỉ thị kết quả (LED , LCD) Bộ xử lí tín hiệu(vi điều khiển) Nguyên lý hoạt động của mạch : IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện .Dựa vào đặc tính rất nhạy của chất bán dẫn với nhiệt độ ,tạo radòng điện hay điện áp tỉ lệ thuận theo qui luật hàm mũ với nhiệt độ vì sự tác động của nhiệt độ tạo ra các điện tử tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn . Đo tín hiệu điện ra ,ta biết được nhiệt độ cần xác định. Sau khi đã biến đổi nhiêt năng thành điện năng dưới dạng điệnthế , tín hiệu đo được đưa đến đầu vào Uv của mạch đo .Mạch đo này có chức năng đo đạc tín hiệu điện thế đầu vào ,biến đổi tín hiệu tương tự này thành tín hiệu số(mã BCD ) rồi giải mã hiển thị kết quả ra đèn LED 7thanh .kết quả hiển thị này chính là giá trị nhiệt độ đo được . Mạch đo này sử dung bộ biến đổi ADC kiểu đếm .Mỗi tầng bộ đếm BCD còn kích thích 1 thanh ghi 4 bit , để nuôi bộ giải mã và bộ hiển thị . nôi dung của bộ BCDđược chuyển tới thanh ghi ở mỗi cuối chu kỳ chuyển đổi , sao cho bộ hiển thị chỉ hiển thị số đếm cuối cùng biểu diễn mức điện thế cần đo. Lúc ban đầu , khi UdacUv một khoảng giá trị nào đó thì Us trở về mức điện thế thấp dẫn đến việc cổng AND bị khoá , không có xung nhịp vào bộ đếm ,do đó bộ đếm ngưng lại thôi không đếm nữa .Quá trình chuyển đổi kết thúc . Tín hiệu ra của bộ so sánh lúc này ở mức thấp biểu thị cho mức logic 0 do đó nó sẽ làm khởi độmg mạch đơn ổn số 1(OS1)phát xung 1 micro giây tại Q1 làm cho Q1ở mức logic 1 chuyển đến kích thích các thanh ghi tương ứng để lưu trữ và hiển thị .Q1ở mức logic 1 qua cổng đảo đến khởi động bộ đơn ổn 2(OS2) phát xung tái lập mọi bộ đếm về 0 suy ra đầu ra bộ so sánh lên cao trở lại cho phép xung vào bộ đếm bắt đầu chu kỳ chuyển đổi mới . Thanh ghi lưu trữ sẽ cho phép đèn hiển thị không hiện lên những chi tiết của tiến trình chuyển đổi .Màn hình chỉ thay đổi khi Uv thay đổi , để nội dung của các bộ đếm được chuyển đến thanh ghi vào cuối mỗi chu kỳ chuyển đổi . Như vậy , chỉ cần xác định giá trị điện áp vào mạch đo , ta sẽ xác định được nhiệt độ cần đo, và giá trị hiển thị trên đèn LED chính là giá trị nhiệt độ này . 4. Sơ đồ thực tế của các bộ phận tương ứng : a) Bộ cảm biến nhiệt : Dựa vào lý thuyết và thực tế của mạch cần thiết kế ta dùng IC cảm biến nhiệt độ để chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng để đo.Các ICcảm biến có độ chính xác cao , dễ kiếm và rẻ tiền .Trong đó ,em thấy IC LM35 là loại thông dụng trên thị trường hiện nay , rất phù hợp với sơ đồ thiết kế chi tiết mạch. - Một số tính chất cơ bản của LM35 : +Có độ biến thiên theo nhiệt độ là : 10mV/độ C. +Độ chính xác cao , rất nhạy nhiệt , ở nhiệt độ 25 độ C co sai số không vượt quá 1%. Với tầm đo từ 0 à 128 độ C, tín hiệu điện áp đầu ra tuyến tính với sự thay đổi của nhiệt độ đầu vào . +Các thông số kỹ thuật : Tiêu tán công suất thấp . Dòng làm việc từ 400micro A đến 5mA. Dòng ngược 15mA. Dòng thuận 10mA. Độ chính xác :khi làm việc ở 25 độ C với dòng điện làm việc là 1mA thì điện áp ngõ ra là từ 2.94V đến 3,04V. +Đặc tính điện : Theo thông số của nhà sản xuất LM35 , quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra như sau: Uout=0,01 x (Tđộ K)=2,73+0,01 x (T độ C) Vậy ứng với tầm hoạt động từ 0 đến 100 độ C thì giá trị điện áp tương ứng là: Với nhiệt độ là 0 độ C thì điện áp ra là 2,73 V . Với nhiệt độ là 5 độ C thì điện áp ra là 2,78 V. . . . Với nhiệt độ là 100 độ C thì điện áp ra là 3,73 V. Vout VR +5V LM35 - Thiết kế mạch cảm biến dùng LM35 : +Sơ đồ mạch như hình bên: +Tính toán và lựa chọn linh kiện: ta có: Ira thuộc khoảng từ 400microA đến 5mA . ó400microA<Ira<5mA ó400microA<(5-Vout)/R<5mA Mà Vout lại thuộc khoảng từ 2,73 đến 3,73 V . Do đó, ta có 254<R<5,7k Mặt khác ,theo thông số nhà sản xuất LM35, tại nhiệt độ 25 độ C , Ira=1mA thì Vout =2,98V,ta có: 400microA<(5-2,98)/R<5mA Vậy ta chọn R=2,2k Chọn biến trở chỉnh offset VR=15k b)Bộ khuếch đại : HìnhA.I.1: bộ khuếch đại thuật toán +Ucc -Ucc Ir Up Ip IN P N Ud UN Ur *Các tính chất cơ bản: Giữa bộ khuếch đại thuật toán và các bộ khuếch đại thông thường về cơ bản không có sự khác nhau. Cả hai loại này đều được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hoặc công suất. Trong khi các bộ khuếch đại thông thường phụ thuộc vào các kết cấu bên trong của mạch thì tác dụng của bộ khuếch đại thuật toán có thể thay đổi được và chỉ phụ thuộc vào các linh kiện mắc ở mạch ngoài. Để thực hiện được điều đó, bộ khuếch đại thuật toán phải có hệ số khuếch đại rất lớn, trở kháng vào rất lớn, trở kháng ra rất nhỏ. Bộ khuếch đại thuật toán được biểu diễn ở hình trên. Trong đó: Ud: điện áp vào hiệu; UP, IP: điện áp vào và dòng điện vào của thuận; UN,IN : điện áp vào và dòng vào của đảo; Ur , Ir : điện áp ra và dòng điện ra Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệu điện áp Ud = UP –UN với hệ số khuếch đại K0 > 0. Do đó điện áp ra : Ur = K0 .Ud = K0 . ( UP - UN ) -Nếu UN = 0 thỉ Ur = K0.UP lúc này điện áp ra Ur đồng pha với điện áp vào UP, vì vậy người ta gọi cửa P là cửa vào không đảo hoặc cửa vào thuận của bộ khuếch đại thuật toán và được ký hiệu bởi dấu “+”. -Nếu UP = 0 thì Ur= -K0 .UN Vì điện áp ra ngược pha với điện áp vào nên N được gọi là đầu vào đảo của bộ khuếch đại thuật toán và ký hiệu bởi dấu “—“. Ud Ur vài mV -vài mV Ur min Ur max 0 Hình A.II.1:Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán ứng với tần số thấp Ngoài ra bộ khuếch đại thuật toán còn có hai cửa để đấu với một nguồn cung cấp đối xứng ± Ucc và các cửa để chỉnh lệch không và bù tần số sẽ được nói ở phần sau. Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng có các tính chất sau: + Trở kháng vào ZV = ∞ + Trở kháng ra Zr = 0 + Hệ số khuếch đại _K0 = ∞ Trong thực tế không có bộ khuếch đại lý tưởng, để đánh giá bộ khuếch đại thuật toán thực so với bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng người ta căn cứ vào các tham số của nó. *Hệ số khuếch đại hiệu K0 K0 là hệ số khuếch đại hiệu khi không tải, được xác định theo biểu thức sau: K0 = Ur / Ud Ở tần số thấp, K0 = K∞ thường lấy các giá trị trong khoảng103 đến 106 Điện áp ra tỷ lệ với Ud trong dải điện áp Ur min đến Ur max nào đó, dải điện áp này gọi là dải biến đổi điện áp ra của bộ khuếch đại thuật toán. Ngoài dải đó, điện áp ra không đổi và không phụ thuộc vào điện áp vào, tương ứng bộ khuếch đại làm việc ở trạng thái bão hoà. Đối với điện áp một chiều và điện áp có tần số thấp thì hệ số khuếch đại không phụ thuộc vào tần số. Khi tần số tăng đến một giá trị nào đó thì K0 giảm. Ở tần số giới hạn K0 = K∞/. Vì tần số giới hạn dưới của bộ khuếch đại thuật toán fd = 0 nên tần số giới hạn trên của nó đúng bằng độ rộng dải tần B. Khi hệ số khuếch đại K0 giảm theo tần số thì giữa Ur và Ud cũng xuất hiện một góc lệch pha phụ thuộc tần số. Trong những điều kiện nhất định, góc lệch pha này sẽ ảnh hưởng đến tính ổn định của bộ khuếch đại. *Đặc tính biên độ – tần số: Các tầng khuếch đại nằm trong bộ khuếch đại thường có tần số giới hạn khác nhau. Đặc tính tần số của bộ khuếch đại thuật toán là đặc tính tần số thành phần của từng tầng. Để xét đặc tính tần số ta dùng mô hình của bộ khuếch đại thuật toán trên hình dưới đây. Đây là bộ khuếch đại thuật toán gồm một tầng khuếch đại lý tưởng có hệ số khuếch đại K0 =K∞ không phụ thuộc tần số và ba khâu lọc riêng rẽ đặc trưng cho các điện trở và tụ điện tạp tán của mạch. Ta có thể biểu diễn sự phụ thuộc của K0 theo tần số: trong đó f1 , f2 , f3 tần số giới hạn của ba khâu lọc thông thấp HìnhA.III.1: Mô hình bộ khuếch đại thuật toán HìnhA.III.2:Đặc tính biện độ tần số của bộ khuếch đại thuật toán(f1 << f2 << f3) -450 -900 -1350 -1800 -2250 -2700 lgf lgf 0 K0 (dB) K∞ -20dB/D -40dB/D -60dB/D f1 f2 f3 fT Ucm max Ucm min Ucm Ur HìnhA.IV.1: Quan hệ giữa điện áp ra với điện áp vào đồng pha *Hệ số khuếch đại đồng pha: Nếu đặt vào cửa thuận và cửa đảo của bộ khuếch đại thuật toán các điện áp bằng nhau, nghĩa là Up = UN = Ucm ≠ 0 thì Ud =0. Gọi Ucm là điện áp vào đồng pha. Lúc này Ur = 0tuy nhiên thực tế không như vậy. Hệ số khuếch đại đồng pha Kcm được xác định theo biểu thức sau: Hệ số khuếch đại đồng pha Kcm luôn luôn nhỏ hơn hệ số khuếch đại hiệu K∞ *Hệ số nén đồng pha: Để đánh giá khả năng làm việc của bộ khuếch đại thực so với bộ khuếch đại lý tưởng người ta dùng hệ số nén đồng pha G (còn ký hiệu là: CMRR) hệ số này được định nghĩa bởi biểu thức: thường thì G = 103 đến 105 * Điện trở vào hiệu, điện trở vào đồng pha và điện trở ra: Điện trở vào hiệu rd và điện trở vào đồng pha rcm được định nghĩa theo các biểu thức sau: rd = khi UN = 0 hoặc rd = khi UP = 0 rcm =rd = khi UN = UP =Ucm Điện trở ra của bộ khuếch đại thuật toán rra cho khả năng đánh giá sự biến thiên của điện áp ra theo tải và được xác định theo biểu thức: rra = * Dòng vào tĩnh, điện áp vào lệch không Dòng vào tĩnh là giá trị trung bình của dòng vào cửa thuận và dòng vào cửa đảo: It = rd = với UP = UN = 0 Dòng vào lệch không là hiệu các dòng vào tĩnh ở hai cửa của bộ khuếch đại thuật toán : I0 = IP –IN với UP = UN = 0 Dòng vào lệch không phụ thuộc nhiệt độ, do đó khi nhiệt độ thay đổi, trị số của dòng lệch không thay đổi theo. Hiện tượng này gọi là hiện tượng trôi dòng lệch không. Để đánh giá mức độ trôi dòng lệch không, người ta dùng hệ số nhiệt của dòng lệch không có thứ nguyên là nA/ 0C. Trong bộ khuếch đại thuật toán thực khi UP = UN = 0 thì Ura vẫn khác không. Lúc này điện áp ra do điện áp lệch không ở đầu vào gây nên. Vậy điện áp lệch không U0 là hiệu điện áp cần phải đặt giữa hai đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán để cho Ura = 0 U0 = UP – UN khi Ura = 0 Điện áp lệch không cũng phụ thuộc nhiệt độ, do đó cùng có hiện tượng trôi điện áp lệch không. * CÁC SƠ ĐỒ CƠ BẢN CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN: Khi dùng bộ khuếch đại thuật toán , người ta dùng hồi tiếp âm mà không dùng hồi tiếp dương, vì hồi tiếp dương làm cho bộ khuếch đại làm việc ở trạng thái bão hoà là trạng thái chỉ dùng ở chế độ khoá. Mạch hồi tiếp âm sẽ làm giảm điện áp ra sao cho điện áp hiệu ở đầu vào Ud = 0. Trong một số trường hợp người ta dùng cả hồi tiếp âm và hồi tiếp dương, nhưng lượng hồi tiếp âm phải lớn hơn lượng hồi tiếp dương. Ta có hai sơ đồ cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán sau: -Các sơ đồ khuếch đại đảo: +Sơ đồ biến đổi điện áp –điên áp HìnhB.I.1.a: bộ khuếch đại đảo , sơ đồ biến đổi điên áp – diện áp Ir Uvào IN N Ud Ur R1 Rn Ta xét hai trường hợp: *Trường hợp lý tưởng K0 = , rd = Viết phương ttình điện áp nút cho nút N ta được: è UR = Do có hồi tiếp âm nên trong quá trình làm việc của bộ khuếch đại, điện áp ra sẽ biến thiên sao cho UN = 0 vì thế cửa N trong sơ đò này gọi là điểm đất ảo. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại khi có hồi tiếp âm được xác định như sau: K’ = Phương trình này có hai ý nghĩa: hệ số khuếch đại của hệ thống giảm đi khi có hồi tiếp âm và chỉ phụ thuộc vào linh kiện mạch ngoài. Trở kháng vào của mạch được tính theo: *Trường hợp K0 hữu hạn, rd= Lúc này UN 0 và UN được xác định như sau: UN = UV - à UV = - UR thường thì K0 >> 1 nên 1 do đó ta có : Khi K0 >>1 thì K không phụ thuộc vào K0, nghĩa là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có hồi tiếp không đổi kể cả khi K0 thay đổi do một nguyên nhân nào đó. Sau đây tính sai số tương đối của K: Do đó sai số tuyệt đối: RN N IV UR HìnhB.I.1b : bộ khuếch đại đảo, sơ đồ biến đổi dòng điện – điện áp K’ – K = Sai số tương đối: Với 1/K’ thực chất là hệ số hồi tiếp của mạch hồi tiếp âm, nghĩa là do đó g = 1 + K0.Kht chính là độ sâu hồi tiếp của bộ khuếch đại Vậy g càng lớn thì sai số khi tính hệ số khuếch đại càng nhỏ Ngoài ra vì đây là sơ đồ một mạch khuếch đại có hồi tiếp âm nối tiếp điện áp, nên các kết luận khác đối với một bộ khuếch đại có hồi tiếp đều có thể áp dụng được cho nó. +Sơ đồ biến đổi dòng điện – điện áp: Trong sơ đồ này đại lượng dòng điện ở đầu vào được biến đổi thành đại lượng điện áp ở đầu ra. Đây là mạch hồi tiếp âm song song-điện áp. Có thể tính gần đúng hệ số truyền đạt của mạch điện cho dưới đây như sau: Ud = UN = 0 Ud = RNIV + UR = 0 à UR/UV = - RN Khi tính biểu thức trên ta đã coi K0 = . Thực tế K0 hữu hạn, nhưng tính toán theo biểu thức trên sai số phạm phải cũng không đáng kể. +Sơ đồ biến đổi điện áp – dòng điện Nếu trong sơ đồ hình 7.6 ta thay RN bởi điện trở tải mà dòng qua nó tỷ lệ với điện áp vào: I = - Các sơ đồ khuếch đại thuận Cả ba sơ đồ dưới đây đều là các sơ đồ biến đổi điện áp – điện áp, có mạch hồi tiếp âm nối tiếp điện áp. UR UV RN R1 RN UV UR UV UR HìnhB.2:Bộ khuếch đại thuận (a)sơ đồ khuếch đại thông dụng, (b),(c) sơ đồ khuếch đại lặp Trường hợp bộ khuếch đại lý tưởng K0 = , rd = VìK0 = và UR hữu hạn nên Ud = 0 nghĩa là UV = UN, mặt khác theo sơ đồ tính được: từ đó rút ra Hệ số khuếch đại của mạch trong trường hợp này được tính theo biểu thức: K’ = Trở kháng vào trong sơ đồ này bằng đúng điện trở vào hiệu, nghĩa là: ZV = rd = vì điện áp vào UV được đặt trực tiếp vào cửa thuận. Đây là một đặc điểm rất quan trọng của sơ đồ khuếch đại thuật toán. Nó được sử dụng trong các bộ khuếch đại yêu cầu trở kháng vào lớn. Trường hợp bộ khuếch đại thực: K0 hữu hạn Theo hình (a) ở ngay trên ta có: vì K0 hữu hạn Từ hai biểu thức trên ta tìm được: Bộ khuếch đại thuận có điện áp vào đồng pha, vì lúc này UN = UV 0. Do đó hệ số nén tín hiệu đồng pha trong bộkhuếch đại thực hữu hạn, nên trong mạch có thêm sai số do điện áp đồng pha gây nên. Bảng tóm tắt một số đặc điểm của hai cách mắc bộ khuếch đại thuật toán Khuếch đại đảo Khuếch đại thuận Hồi tiếp âm nối tiếp điện áp Hồi tiếp âm nối tiếp điện áp Điện áp ra ngược pha với điện áp vào Điện áp ra cùng pha với điện áp vào Đầu vào đảo có điện thế = 0 ( điểm đất ảo) Đầu vào đảo có điện thế = điện áp vào Dòng qua R1,RN : IV =UV/R1 nguồn tín hiệu cung cấp , do đó nguồn tín hiệu vào phải lớn Dòng qua R1,RN : IV =UV/R1không chạy qua nguồn tín hiệu , do đó không yêu cầu công suất của nguồn tín hiệu Trở kháng vào ZV = R1 ZV = Không có điện áp vào đồng pha Điện áp vào đồng pha Ucm = UV Hệ số hồi tiếp Kht = Hệ số hồi tiếp Kht = Nhiệm vụ của khối khuếch đại trong đề tài và cách ghép nối: Khèi nµy lµm nhiÖm vô giao tiÕp trung gian gi÷a khèi c¶m biÕn vµ ADC. V× Vout=2,73+0,01ToC, ®Ó ®¬n gi¶n hãa qu¸ tr×nh tÝnh to¸n, ta ph¶i khö phÇn ®iÖn ¸p kh«ng ®æi 2,73(V). R3 +5V R1 R5 D1 Khối cảm biến V2 VR1 V1 IF ADC - + Vo VR2 Vcc R4 R2 MÆt kh¸c, ADC chØ xö lÝ ®­îc tÝn hiÖu trong kho¶ng 0V÷5V, kho¶ng nhiÖt ®é cÇn ®o tõ 0÷100oC, nªn cÇn ph¶i khuÕch ®¹i tÝn hiÖu nµy lªn 5 lÇn. VoutK§ = 0,05*ToC S¬ ®å khèi bé khuÕch ®¹i (d¹ng m¹ch trõ): Th«ng sè cña c¸c linh kiÖn sau khi tÝnh to¸n sÏ lµ: - Bé khuyÕch ®¹i HA741 - §iot Zener 3V, 20mA - VR1=15KΩ, VR2=10KΩ - R = 5KΩ, R1 = 100Ω, R2 = R3 = 1KΩ, R4 = R5 = 5KΩ c)Bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số : Ta chọn IC ADC0809 để thực hiện nhiệm vụ này.Nó hoạt động theo nguyên tắc xấp xỉ liên tiếp . Vi mạch ADC0809 là biến đổi A/D tác động nhanh và giá thành không cao nên có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng .Nó qui định về quyền sử dụng các lối ra dữ liệu song song ,các lối ra này tương thích TTL. Qua một lối vào điều khiển , các lối ra có thể chuyển sang trạng thái điện cao , và nhờ thế vi mạch có thể đệm vào 1 bus dữ liệu .Ngoài ra nó còn qui định cả về quyền sử dụng các lối vào điều khiển ghi._.