2010

ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

THS. NGUYỄN VĂN HIỆP

ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

1

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

2

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.

3

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

4

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.

5

- 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.

6

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

7

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.

8

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:

9

- 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.

10

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

11

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.

12

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.

13

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.

14

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.

15

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

16

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

17

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.

18

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 âm ngõ ra.

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:

19

20

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

21

- 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.

22

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 sẽ lên mức cao nếu A nhỏ hơn B; ngõ ra A=B sẽ lên mức cao

nếu A bằng B.

Hình 1-14: Sơ đồ khối bộ so sánh giá trị

IC TTL 7485 là bộ so sánh độ lớn (hình1-15(a)). Nó hoạt động giống nhƣ sơ đồ khối hình

1-14. Có 3 ngõ vào mở rộng, ngõ vào A<B, A=B, và 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.

23

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, A=B, và A>B

của bộ so sánh 4 bit thấp nối tƣơng ứng với 3 ngõ vào mở rộng A<B, A=B, và A>B của

bộ so sánh 4 bit cao.

Hình 1-15: IC 7485

24

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.

25

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.

26

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.

27

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.

28

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.

29

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.

30

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.

31

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.

32

Hình 1-23: Bộ điều khiển UJT.

33

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

34

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

35

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.

36

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

37

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:

38

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:

39

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).

40

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:

41

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.

42

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.

43

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.

44

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?

45

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.

46

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:

47

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:

48

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:

49

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.

50

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

51

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

52

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.

53

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,

54

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.

55

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

56

2.17

100m.

L

.

Hình 2.18 Cảm biến quang điện kiểu truyền thẳng

Ứng dụng

57

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

.

.

58

.

Ứng dụng

59

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

.

.

60

.

Hình 2.23 Ứng dụng Cảm biến quang điện phản xạ trực tiếp

61

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.

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

Biên độ

A (số)

t

t

Hình 3.1: Ví dụ về tín hiệu tƣơng tự và tín hiệu số

62

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

63

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

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.

ADC

Hệ thống

số

DAC

Cảm

biến

Đệm

Tín hiệu

vật lý Điều khiển

biến vật lý

Tín hiệu

tƣơng tự

Tín hiệu số

0,1

Tín hiệu số Tín hiệu

tƣơng tự

Hình 3.2: Sơ đồ khối giao tiếp ADC và DAC

64

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

65

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.

66

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.

67

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

68

Hình 3-5: DAC0808 kết nối với op-amp 741

Một số thông tin về DAC 0809 của National

69

70

71

Tạo mức

logic

DAC

Bộ

đếm

nhị

phân

FF-D FF-D FF-D

So sánh

VCOMP

VA’

VA +

-

CK

Trạng thái

giữ nguyên

D0

D1

Dn-1

Q0

Q1

Qn-1

D0 D1 Dn-1

Khởi đầu

Kết thúc

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)

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

72

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.

73

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.

74

Hình 3-8: Biểu đồ thời gian cho SAR ADC

75

4.1.3 Mạch ADC chuyển đổi song song(FLASH ADC)

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

V1< VA< 2V1

2V1< VA< 3V1

3V1< VA< 4V1

4V1< VA< 5V1

5V1< VA< 6V1

6V1< VA< 7V1

7V1< VA

0 0 0 0 0 0 0

vcc 0 0 0 0 0 0

vcc vcc 0 0 0 0 0

vcc vcc vcc 0 0 0 0

vcc vcc vcc vcc 0 0 0

vcc vcc vcc vcc vcc 0 0

vcc vcc vcc vcc vcc vcc 0

vcc vcc vcc vcc vcc vcc vcc

0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0

1 1 0 0 0 0 0

1 1 1 0 0 0 0

1 1 1 1 0 0 0

1 1 1 1 1 0 0

1 1 1 1 1 1 0

1 1 1 1 1 1 1

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

VCC

Tạo mức logic 1-0

Tạo mức logic 1-0

C7

C6

C5

C4

C3

C2

C1

I7

I1

3R

R

R

R

R

R

R

R

7V1

6V1

5V1

4V1

3V1

2V1

V1

D2

D1

D0

MÃ

HÓA

8

SANG

3

VA

76

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:

0 1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 3 4 6

I I I I I

I I

2 I4

D I I

D I I I

D

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.

77

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.

78

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

79

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

80

4.2.2.3 Đặc tính kỹ thuật ADC0809

Độ phân giải 8 bit

Tổng sai số chƣa chỉnh định 1 , 12

LBS LBS

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 85

oC.

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

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

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.

81

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:

( )256.

( ) ( )

INV VrefN

Vref Vref

Nếu chọn Vref(-)=0V thì 256.( )

INVN

Vref

Vref(+)=VCC=5V thì đầy thang là 256. Giá trị nhỏ nhất là:

8

51 0.0196 /

2 1LBS V byte

Áp vào lớn nhất của ADC 0809 là 5V.

Biểu đồ thời gian của ADC 0809:

82

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.

83

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

84

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.

85

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

86

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.

87

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

88

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.

89

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

90

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

91

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.

92

Hình 4.7 Cảm biến LM20 và một số đặc tính

93

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

94

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.

95

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

96

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

97

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.

98

Hình 4.13 Kết nối thông thƣờng LM134.

RSET điều chỉnh dòng ngõ ra theo nhiệt độ

99

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.

100

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

101

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

102

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

103

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

104

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

105

Hình 4.20 DS18B20 sử dụng nguồn bên nguồn

* Chuẩn 1 wire có những đặc điểm sau:

- Chỉ có một master trong hệ thống.

- Giá thành thấp.

- Tốc độ đạt đƣợc tối đa 16kbps.

- Khoảng cách truyền xa nhất là 300m.

- Lƣợng thông tin trao đổi nhỏ.

DS1820 thƣờng đƣợc ứng dụng trong các bộ điều khiển HVAC, hệ thống giám sát nhiệt

độ trong các tòa nhà, thiết bị máy móc…

DS18B20 thƣờng có 3 chân chức năng chính:

1. Chân GND: chân nối đất.

2. Chân DQ: chân trao đổi dữ liệu, đồng thời là chân cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động

của IC, nếu chân Vcc không sử dụng. Khi kết nối với vi điều khiển thì cần phải có điện

trở kéo lên khoảng 4.7k.

3. Chân Vcc: chân cấp nguồn.

Sơ đồ khối IC điều khiển nhiệt độ DS18B20.

106

5.4. 2 Nguyên tắc hoạt động:

Bên trong DS18B20 sẽ có bộ chuyển đổi giá trị nhiệt độ sang giá trị số và đƣợc

lƣu trong các thanh thi ở bộ nhớ scratchpad. Độ phân giải nhiệt độ đo có thể đƣợc cấu

hình ở chế độ 9 bits, 10bits, 11bits, 12bits. Ở chế độ mặc định thì DS18B20 hoạt động ở

độ phân giải 12bits. Để bắt đầu quá trình đọc nhiệt độ, và chuyển đổi từ giá trị tƣơng tự

sang giá trị số thì vi xử lý gửi lệnh Convert T [44h], sau khi chuyển đổi xong thì giá trị

nhiệt độ sẽ đƣợc lƣu trong 2 thanh ghi nhiệt độ ở bộ nhớ scratchpad và IC trở về trạng

thái nghỉ.

Nhiệt độ đƣợc lƣu bên trong DS18B20 đƣợc tính ở nhiệt độ C (Celcius) nếu tính ở

nhiệt độ Fahrenheit cần phải xây dựng thêm bảng chuyển đổi nhiệt độ. Giá trị nhiệt độ

lƣu trong bộ nhớ gồm 2bytes-16bits: số âm sẽ đƣợc lƣu dƣới dạng bù 2. Bit cao nhất là

bit dấu (S) nếu S=0 thì giá trị nhiệt độ dƣơng và S=1 thì giá trị nhiệt độ âm. Nếu cấu hình

độ phân giải là 12bits thì tất cả các bit đều đƣợc sử dụng. Nếu độ phân giải 11bits thì bit

0 không đƣợc sử dụng. Tƣơng tự nếu cấu hình là 10bits thì bit 1, 0 không đƣợc sử dụng,

nếu cấu hình là 9 bits thì bit 2,1,0 không đƣợc sử dụng.

Định dạng giá trị nhiệt độ lƣu khi độ phân giải là 12bits.

Quan hệ giữa nhiệt độ và giá trị lƣu trong bộ nhớ ở độ phân giải 12bits.

Nhiệt độ sau khi đƣợc lƣu vào trong 2 thanh ghi bộ nhớ sẽ đƣợc so sánh với 2

thanh ghi ngƣỡng nhiệt độ TH và TL. Các giá trị ngƣỡng nhiệt độ do ngƣời dùng quy

107

định, và nó sẽ không thay đổi khi mất điện.

Thanh ghi ngƣỡng nghiệt độ TH, TL.

Nhƣ vậy chỉ có phần nguyên, các bit 11-4 của giá trị nhiệt độ đƣợc so sánh với các

thanh ghi ngƣỡng, bởi vì TH, TL là những thanh ghi 8 bit . Nếu giá trị nhiệt độ đọc về

nhỏ hơn hoặc bằng TL hay lớn hơn hoặc bằng mức TH thì cờ báo cảnh báo sẽ đƣợc bật

lên, và nó sẽ thay đổi ở mỗi quá trình đọc nhiệt độ. Vi xử lý có thể kiểm tra trạng thái cờ

cảnh báo của tất cả các DS18B20 trên bus bằng lệnh Alarm Search [ECh]. Bất kỳ cảm

biến nào có cờ cảnh báo đƣợc set sẽ đáp ứng lại với lệnh này.

5.4.3 Tổ chức bộ nhớ:

Mỗi IC DS18B20 có một mã 64bit riêng biệt bao gồm: 8 bit Family code, 48 bit serial

code và 8bit CRC(cyclic redundancy check ), code đƣợc lƣu trong Rom. Các giá trị này

giúp phân biệt giữa các IC với nhau trên cùng 1 bus. Giá trị Family code của DS18B20 là

28h và giá trị CRC là kết quả của quá trình kiểm tra 56 bits trƣớc đó.

Tổ chức bộ nhớ Scratchpad:

Bộ nhớ DS18B20 bao gồm 9 thanh ghi 8bits:

108

Byte 0 và 1 lƣu giá trị nhiệt độ sau khi chuyển đổi.

Byte 2 và 3 lƣu giá trị ngƣỡng nhiệt độ. ( giá trị này đƣợc lƣu khi mất điện).

Byte 4 là thanh ghi cấu hình cho hoạt động của DS18B20.

Byte 5,6 và 7 không sử dụng.

Byte 8 là thanh ghi chỉ đọc lƣu giá trị CRC từ byte 0 đến byte 7.

Dữ liệu trong byte 2,3,4 đƣợc ghi thông qua lệnh Write Scratchpad [4Eh] và dữ liệu đƣợc

truyền đến DS18B20 với bit LSB của byte 2, sau khi ghi dữ liệu có thể đƣợc đọc lại thông qua

lệnh Read Scratchpad [BEh]. Khi đọc Scratchpad thì bit LSB của byte 0 sẽ đƣợc gửi đi trƣớc –

Tất cả các byte đều đƣợc đọc, nhƣng chỉ ghi đƣợc byte 2,3 và 4.

Để chuyển giá trị TH và TL và dữ liệu cấu hình từ scratchpad vào EEPROM thì cần gửi

lệnh Copy Scratchpad [48h] đến DS18B20. Và dữ liệu từ EEPROM cũng có thể đƣợc chuyển

vào scratchpad bất cứ lúc nào thông qua lệnh Recall E2 [B8h].

* Thanh ghi cấu hình:

Byte thứ 4 của bộ nhớ Scratchpad chính là thanh ghi cấu hình. Ngƣời dùng có thể thiết lập độ

phân giải của DS18B20 thông qua hai bit R1, R0. Mặc định R1, R0 là 1 (mặc định độ phân giải

là 12 bit).

5.4.4 Trao đổi dữ liệu giữa vi điều khiển và DS18B20 thông qua ba bƣớc sau: 1. Khởi tạo.

Quá trình khởi tạo bao gồm 1 xung reset do master gửi đến slave DS18B20, sau đó là xung

presence từ DS18B20 gửi đến master, để chỉ ra sự hiện diện của DS18B20 và quá trình hoạt

động trao đổi dữ liệu có thể bắt đầu.

2. Lệnh điều khiển ROM.

Các lệnh này làm việc với 64bits serial code ROM, lệnh này đƣợc phát ra sau quá trình khởi tạo.

Lệnh cho phép master biết có bao nhiêu thiết bị và thiết bị loại gì trên bus. Có 5 lệnh điều khiển

ROM:

a. SEARCH ROM [F0h]

Khi hệ thống bắt đầu hoạt động, thì master sử dụng lệnh này để kiểm tra code ROM của tất cả

các thiết bị có trên bus cho phép master biết đƣợc số thiết bị và loại của thiết bị trên bus. Nếu

trên bus chỉ có 1 thiết bị thì có thể sử dụng lệnh Read_ROM thay cho lệnh Search_ROM. Sau

mỗi quá trình Search_ROM thì cần phải quay lại quá trình khởi tạo để reset hệ thống.

109

b. READ ROM [33h]

Lệnh này đƣợc sử dụng khi chỉ có 1 thiết bị trên bus. Lệnh này cho phép vi điều khiển đọc 64bit

ROM code của thiết bị. Nếu trên bus có nhiều thiết bị thì lệnh này sẽ gây ra sự xung đột bus dữ

liệu giữa các thiết bị.

c. MATCH ROM [55h]

Lệnh này theo sau bởi 64 bit ROM code cho phép master định địa chỉ thiết bị cần giao tiếp. Chỉ

thiết bị có ROM code phù hợp sẽ trả lời, các thiết bị còn lại sẽ đợi xung reset tiếp theo.

d. SKIP ROM [CCh]

Lệnh này cho phép master gửi đồng thời đến tất cả các thiết bị trên bus mà không cần bất cứ

thông tin nào về ROM Code. Ví dụ, muốn gửi lệnh Convert_T đến tất cả các thiết bị trên bus, thì

đầu tiên ta gửi lệnh Skip_ROM sau đó tiếp theo là gửi lệnh Convert_T.

Tƣơng tự nhƣ vậy, nếu theo sau lệnh Skip_ROM là lệnh Read_Scratchpad thì dữ liệu trên

DS18B20 đƣợc đọc về, và lƣu ý rằng lệnh này chỉ thực hiện đƣợc khi trên bus có 1 thiết bị, nếu

trên bus có nhiều thiết bị thì sẽ gây ra xung đột bus.

e. ALARM SEARCH [ECh]

Lệnh này gần giống với lệnh Search_ROM, nhƣng lệnh này chỉ tác động đến thiết bị mà cờ

alarm đƣợc bật lên sẽ trả lời. Lệnh này cho phép xác định các thiết bị mà ở đó nhiệt độ đo đƣợc

vƣợt qua ngƣỡng nhiệt độ, và sau khi lệnh này đƣợc thực thi thì master phải lập lại quá trình khởi

tạo – quay lại bƣớc 1.

3. Lệnh điều khiển DS18B20.

Sau khi master định địa chỉ thiết bị cần giao tiếp thông qua các lệnh ROM, master sẽ gửi các

lệnh điều khiển hoạt động của DS18B20. Những lệnh này cho phép master ghi và đọc dữ liệu từ

bộ nhờ Scratchpad của DS18B20, bắt đầu quá trình chuyển đổi nhiệt độ, và xác định chế độ cấp

nguồn.

Sau khi master (thƣờng là một vi điều khiển) sử dụng các lệnh ROM để định địa chỉ cho các cảm

biến một dây đang đƣợc đấu vào bus, master sẽ đƣa ra các lệnh chức năng DS1820. Bằng các

lệnh chức năng master có thể đọc ra và ghi vào bộ nhớ nháp (scratchpath) của cảm biến DS1820,

khởi tạo quá trình chuyển đổi giá trị nhiệt độ đo đƣợc và xác định chế độ cung cấp điện áp

nguồn. Các lệnh chức năng có thể đƣợc mô tả ngắn gọn nhƣ sau:

+ WRITE SCRATCHPAD (4Eh):

Lệnh này cho phép ghi 2 byte dữ liệu vào bộ nhớ nháp của DS1820. Byte đầu tiên đƣợc

ghi vào thanh ghi TH (byte 2 của bộ nhớ nháp) còn byte thứ hai đƣợc ghi vào thanh ghi TL (byte

3 của bộ nhớ nháp). Dữ liệu truyền theo trình tự: đầu tiên là bit LSB và kế tiếp là những bit có

trọng số giảm dần. Cả hai byte này phải đƣợc ghi trƣớc khi master xuất ra một xung reset hoặc

khi có dữ liệu khác xuất hiện.

+ READ SCRATCHPAD (BEh):

Lệnh này cho phép master đọc nội dung bộ nhớ nháp. Quá trình đọc bắt đầu từ bit có

trọng số thấp nhất của byte 0 và tiếp tục cho đến byte thứ 9 (byte 8 – CRC). Master có thể xuất ra

một xung reset để làm dừng quá trình đọc bất kỳ lúc nào nếu nhƣ chỉ có một phần của dữ liệu

trên bộ nhớ nháp cần đƣợc đọc.

+ COPY SCRATCHPAD (48h):

Lệnh này copy nội dung của hai thanh ghi TH và TL (byte 2 và byte 3) vào bộ nhớ

EEPROM. Nếu cảm biến đƣợc sử dụng trong chế dộ cấp nguồn l bắt đầu việc đo.

110

+ CONVERT T (44h):

Lệnh này khởi động một quá trình đo và chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành số (nhị phân).

Sau khi chuyển đổi giá trị kết quả đo nhiệt độ đƣợc lƣu trữ trên thanh ghi nhiệt độ 2 byte trong

bộ nhớ nháp. Thời gian chuyển đổi không quá 200 ms, trong thời gian đang chuyển đổi nếu thực

hiện lệnh đọc thì các giá trị đọc ra đều bằng 0.

+ READ POWER SUPPLY (B4h):

Một lệnh đọc tiếp sau lệnh này sẽ cho biết DS1820 đang sử dụng chế độ cấp nguồn nhƣ

thế nào, giá trị đọc đƣợc bằng 0 nếu cấp nguồn bằng chính đƣờng dẫn dữ liệu và bằng 1 nếu cấp

nguồn qua một đƣờng dẫn riêng.

Các lệnh điều khiển đƣợc mô tả qua bảng dƣới đây.

111

6. MỘT SỐ LƢU Ý KHI SỬ DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

6.1 Vị trí cảm biến ảnh hƣởng đến độ chính xác của phép đo

Một cảm biến nhiệt độ dù ngõ ra là tƣơng tự hay số, thì ngõ ra đều phụ thuộc

vào nhiệt độ nơi đặt cảm biến. Hơi nóng đã đƣợc dẫn tới thành phần cảm biến

nhiệt thông qua vỏ đóng gói của nó. Thông thƣờng, các cảm biến đóng gói kim

loại(nhƣ cảm biến LM35trong kiểu TO-46) sẽ có một đƣờng nhiệt xuyên qua lớp

vỏ này. Đối với các cảm biến đóng gói plastic nhƣ TO-92, SO-8, SC-70, and SOT-

23, chì đƣợc thiết kế để tạo đƣờng dẫn nhiệt này. Do đó, khi các IC cảm biến nhiệt

độ đặt trên môt board mạch,chúng sẽ làm tốt việc đo lƣờng nhiệt độ của bảng

mạch, đặc biệt ở những nơi chì đã đƣợc hàn. Nếu nhƣ nhiệt độ của board mạch rất

gần với nhiệt độ không khí xung quanh, điều này có nghĩa là board không phát

sinh nhiệt, thì cảm biến nhiệt sẽ cho ngõ ra nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ môi trƣờng.

Để sự đo lừơng nhiệt độ của một phần tử khác trên board mạch, thì cảm biến

và chì dẫn của nó phải đƣợc đặt ở nơi có nhiệt độ cùng nhiệt độ với đối tƣợng đang

đƣợc đo.

Nếu đối tƣợng cần đo nhiệt độ là chất lỏng, và chất lỏng này dẫn điện, thì

cảm biến có thể đƣợc đặt bên trong một ống kim loại đóng kín. Ống đó có thể đƣợc

nhúng vào bể hoặc đƣợc vặn vào trong một lỗ ren trong một bình chứa. Cảm biến

nhiệt độ và bất kỳ dây kèm theo phải đƣợc cách điện và sấy khô để tránh sự rò rỉ

và sự ăn mòn.

Nhƣ vậy cảm biến nhiệt đặt ở đâu, đó là điều rất quan trọng. Hãy xem các ví

dụ sau:

Ví Dụ 1.Bộ khuếch đại công suất âm thanh

Thông thƣờng ta đo nhiệt độ trong bộ khuếch đại công suất âm thanh để bảo

vệ các phần tử quá nhiệt hoặc bằng sự kích hoạt các quạt làm mát hoặc tắt hệ

thống. Thậm chí, một số IC khuếch đại có chứa sẵn mạch bảo vệ quá nhiệt bên

trong để tắt bộ khuếch đại trong trƣờng hợp có sự cố quá. Bằng sự kích hoạt quạt

làm mát khi nhiệt độ lên cao, hệ thống có thể tiêu thụ nhiều năng lƣợng hơn và gây

ra tiếng ồn, do đó khi nhiệt độ xuống thấp thì quạt sẽ bị tắt.

Nhiệt độ của IC khuếch đại công suất thƣờng đƣợc đo bởi một cảm biến gắn

trên cánh tản nhiệt, do đó nhiệt độ đo đƣợc thấp hơn nhiệt độ thực tế của IC. Và ta

phải cho ngƣỡng điều khiển quạt sao cho phù hợp chứ không phải lấy nhiệt độ chết

của IC để khống chế.

112

Khi thân cảm biến đƣợc gắn trên cánh tản nhiệt, nhiệt độ này sẽ đƣợc truyền

qua lớp vỏ vào phần tử cảm nhiệt tốt hơn. Ngoài ra còn một yếu tố rất quan trọng

nữa là các chân hàn của IC cảm biến nên đặt gần IC khuếch đại công suất. Bởi vì

khi hoạt động thì chân hàn của IC khuếch đại công suất sẽ nóng lên, nhiệt độ board

mạch tại nơi đó rất nóng, đặc biệt là các đƣờng mạch. IC cảm biến nhiệt đặt gần

vùng đó thì nhiệt độ sẽ theo các đƣờng chì hàn vào phần tử cảm nhiệt và quá trình

đo lƣờng sẽ chính xác hơn rất nhiều.

Hình 4.21: Bộ khuếch đại công suất và IC cảm biến nhiệt độ

Ví Dụ 2. Xử Lý

Các bộ xử lý tính năng cao (nhƣ CPUs,GPUs,ASICs,và FPGAs) tiêu phí

nguồn đáng kể và có thể trở nên nóng đủ để chịu sự phá hủy thảm hại do sự tăng

quá mức của nhiệt độ. Để tăng độ tin cậy của hệ thống, yêu cầu thông thƣờng là

phải có bộ điều chỉnh xử lý nhiệt độ nhằm kích hoạt quạt làm mát, giảm hệ thống

xung clock, hoặc tắt hoàn toàn hệ nếu nhiệt độ của bộ xử lý quá nóng.

Hầu hết các thiết bị tích hợp cao có những mối quan tâm về công suất nguồn

có diode nhiệt độ đƣợc tích hợp có thể đƣợc sử dụng để đo lƣờng nhiệt độ mối nối

của chúng. Điều này làm đơn giản các kết nối vật lý của cảm biến, và sẵn sàng có

thể đo nhiệt độ. National đã chế tạo một vài thiết bị đƣợc gọi cảm biến nhiệt diode

từ xa có thể đo đƣợc nhiệt độ mối nối của xử lý. Bởi vì không phải tất cả các bộ

“xử lý” đều có một diode nhiệt đƣợc tích hợp sẵn, nên việc sử dụng một cảm biến

nhiệt bên ngoài là rất cần thiết. Và một vị trí thích hợp để đặt cảm biến nhiệt là ở

trong một lỗ khoang ở giữa của cánh tản nhiệt vi xử lý, đƣợc mô tả tại vị trí (a) nhƣ

113

hình bên dƣới. Bộ góp nhiệt có thể đƣợc ghép chặt với mặt trên của vi xử lý. Sự

thuận lợi của vị trí này là nhiệt độ của bộ cảm biến sẽ chỉ chêch lệch với nhiệt độ

của bộ vi xử lý một vài độ. Một điều bất lợi là dây dẫn ngõ ra của vi xử lý tới bảng

mạch sẽ dài. Một sự bất lợi khác nữa là nếu kết nối nhiệt giữa vi xử lý và cánh tản

nhiệt bị giảm đi, bị phá hủy( bởi vì epoxy xấu, mặt cánh tản nhiệt trở nên “lồi lên”

và không còn tiếp xúc chặt với việc xử lý nữa),thì điều đó có nghĩa rằng cảm biến

đo đƣợc nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bình thƣờng, trong khi thực tế nhiệt độ của vi

xử lý đang nâng cao tới mức nguy hiểm.

Ở vị trí điện áp khác là hộc giữa socket vi xử lý(vị trí “b” trong hình). Một

điều thuận lợi ở vị trí này cảm biến đƣợc gắn chặt với board mạch sử dụng linh

kiện dán, nên có thể cảm nhiệt tốt. Hơn nữa là cảm biến đƣợc cách ly từ dòng khí

bên ngoài và sẽ ít bị ảnh hƣởng quá đáng bởi sự thay đổi từ nhiệt độ bên ngoài,

luồng gió của quạt. Cảm biến sẽ chỉ dẫn việc tăng nhiệt độ của vi xử lý. Điểm bất

lợi là tiếp điểm nhiệt giữa cảm biến và xử lý không tốt bằng nhau ở vị trí (a) trƣớc

đó, vì vậy kết quả của nhiệt độ đo đƣợc của cảm biến và vi xử lý chêch lệch từ 5

tới 10ºC. Điều này chỉ là một bất lợi nhỏ và cách tiếp cận này là đƣợc áp dụng

trong nhiều hệ thống.

Một vị trí khác có thể đặt cảm biến nhiệt là đặt gần socket vi xử lý(vị trí c

trong hình). Đây là kỹ thuật khác thích hợp với việc sản suất số lƣợng lớn nhƣng

sự tƣơng quan giữa nhiệt độ cảm biến và nhiệt độ vi xử lý là quá yếu, nhiệt độ vi

xử lý có thể cao hơn nhiệt độ cảm biến khoảng 200C.

Hình 4.22 Vị trí cảm biến nhiệt độ cho các thiết bị xử lý

Cuối cùng là trong một vài hệ thống giá thấp,vi xử lý có thể đƣợc hàn tới bo

chủ, với bộ góp nhiệt đƣợc đặt đối mặt với bo chủ đƣợc trình bày ở hình 4.23

114

Trong hệ thống này, cảm biến có thể đƣợc hàn tới bo tại viền của cánh tản nhiệt.

Bởi vì vi xử lý trong tiếp xúc chặt với bo chủ, nên nhiệt độ của cảm biến sẽ gần với

nhiệt độ của vi xử lý.

Hình 4.23 Cảm biến nhiệt nằm cạnh mối hàn vi xử lý

6.2 Sự ánh xạ nhiệt độ tới diện áp và dòng điện ra

Cảm biến nhiệt độ ngõ ra tƣơng tự sớm nhất đƣợc phát triển bởi National có

ngõ ra tỉ lệ thuận nhiệt dộ tuyệt đối(K). Loạt IC cảm biến LM 135có điện áp ngõ ra

tƣơng đƣơng 10mV/K, trong khi loạt IC cảm biến LM 134 (thiết bị dòng ngõ ra)

tạo ra dòng điện tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối. Hệ số tỷ lệ đƣợc xác định bởi điện trở

ngoài.

Bởi vì tỷ lệ theo độ C và độ Fa-ren-hét có nhiều tiện lợi trog nhiều ứng nên

ba trong các cảm biến của National có điện áp ngõ ra tỉ lệ với một trong các đại

lƣợng đó. Cảm biến LM 35 và LM45 có điện áp ngõ ra hiệu dụng bằng 10mV/ºC,

trong khi điện áp ngõ ra hiệu dụng của LM 34 bằng 10mV/ºK.

Trong khi cảm biến theo độ C và nhiệt Fa-ren-hét có nhiều thuận lợi trong

sự ánh xạ nhiệt độ thành điện áp hơn cảm biến theo nhiệt độ tuyệt đối, chúng lại có

một chút bất lợi khi sử dụng nhiệt độ dƣới 0ºC hay 0ºK. Để đo nhiệt độ âm với

những thiết bị này thì hoặc là nguồn âm phải đƣợc cấp nhƣ hình 4.24 hoặc chân

mass cảm biến đƣợc phân cực và điện áp chênh lệch giữa ngõ ra và “đất” nên đƣợc

thực hiện nhƣ hình 4.25

115

Hình 4.25 Hai cách đo điện áp âm bằng các cảm biến sử dụng nguồn đơn

(a) Nếu có nguồn âm thì ta sử dụng một điện trở kéo ngõ ra của cảm biến xuống

nguồn âm.

(b) Cách khác, phân cực chân mass của cảm biến bằng một diode, một nguồn tham

chiếu hoặc một nguồn khác

Khi đó ngõ ra điện áp của các cảm biến sẽ là âm nếu nhiệt độ đo là âm

Cảm biến LM50 và LM60 sử dụng một cách tiếp cận khác. Đây là những

thiết bị đƣợc xây dựng với điện áp bù dƣơng, điều đó cho chúng tạo ra điện áp ngõ

ra đúng với nhiệt độ âm trong khi chúng đang sử dụng nguồn cung cấp đơn dƣơng.

LM 50 có hệ số tỉ lệ là 10mV/ºC, nhƣng điện áp ra là 500mV ở 0ºC. Cảm biến này

đƣợc thiết kế để đo nhiệt độ thấp đến -40ºC(100mV). Hệ số tỷ lệ của LM 60 là

6.25mV/ ºC và điện áp ra là 424 mV ở 0 ºC. Cảm biến LM 60 cũng đƣợc thiết kế

đo nhiệt độ thấp là -40 ºC(174mV).

6.3 Khả năng lái các tải dung

Những IC cảm biến nhiệt độ của National là các mạch công suất rất nhỏ, nói

chung chúng có khả năng hạn chế để đối với tải dung lớn. LM94022 có thể lái

1100pF mà không cần điện trở nối tiếp ở ngõ ra, cảm biến LM 34 và LM 35 có thể

lái 50 pF mà không có sự phòng ngừa đặc biệt nào, trong khi LM 45 có thể lái tới

116

500pF. Nếu những tải dung lớn hơn, thông thƣờng ta cô lập hay tách riêng tải với

một điện trở nhƣ hình 4.27 (a). Chú ý rằng điện trở nối tiếp sẽ làm yếu tín hiệu ra

trừ khi tổng trở tải là rất cao. Nếu đây là một vấn đề, thì khả năng lái tải có thể

đƣợc cải thiện (không cần tăng điện trở ngõ ra) bằng cách dử dụng một mạch R-C

nhƣ hình 4.27(b).

Hình 4.26 Cảm biến LM94022 có thể lái tải dung 1100pF mà không cần dùng điện

trở nối tiếp. Điều này thật lý tƣởng để có thể lái một tụ lọc, thƣờng đƣợc gắn ở các

ngõ vào của ADC

117

Hình 4.27 Các cách để cải thiện khả năng lái tải dung.

Cảm biến LM 50 và LM 60 có điện trở cách điện bên trong và có thể lái tải

dung lớn mà không bị vấn đề về sự bất ổn. Tổng trở tải sẽ đủ cao để tránh sự suy

giảm của tín hiệu ngõ ra.

6.4 Lọc nhiễu của cảm biến analog

Bất kỳ mạch analog nào đƣợc gắn tới những dây dẫn trong một môi trƣờng

thực tế có thể có những ảnh hƣởng điện từ của các nguồn nhƣ rơ-le, máy phát vô

tuyến, động cơ với sự tạo hồ quang hoặc ngắt dẫn SCR…Khi đó dây có thể hoạt

động nhƣ một ăng-ten nhận và các mối nối bên trong của nó thể hoạt động nhƣ bộ

chỉnh lƣu. Trong một số trƣờng hợp, một tụ 0,1µF đƣợc nối nguồn cấp xuống đất

sẽ giúp giảm bớt nhiễu đáng kể. Lọc ngõ ra có thể đƣợc thêm vào để cải thiện

thêm. Một số cảm biến nhƣ LM50 và LM60 có thể lái trực tiếp tải điện dung ; một

tụ ngõ ra 1µF tới 4.7µF nói chung làm việc tốt, tuy nhiên khả năng đáp ứng sẽ bị

giảm đi. Khi sử dụng cảm biến đó không nên trực tiếp dẫn tải điện dung lớn, bộ lọc

điện dung có thể đƣợc cách ly bằng điện trở nhƣ hình 4-27(a), hoặc mạch R-C có

thể đƣợc sủ dụng nhƣ hình 3-7 (b). Điện trở nối tiếp thông thƣờng là 75Ω với giá

trị tụ là 0.2 µF tới 1 µF.

118

6.5 So sánh thermistor(cảm biến nhiệt) với IC cảm biến nhiệt

ngõ ra Analog

Hình 4.28 Việc kết nối một Thermistor hoặc một cảm biến LM20 đến một ADC

Thermistor khi đƣợc phân cực nhƣ hình 4.28, có một thuận lợi là không yêu

cầu một điện áp tham chiếu ổn định hoặc chính xác trong hệ thống. Vì vậy khi đó,

sai số ảnh hƣởng bởi điện áp tham chiếu có thể đƣợc loại bỏ.

Trong một số trƣờng hợp, chẳng hạn một số IC tích hợp cao nhƣ vi điều

khiển, ASIC có ADC bên trong, và chân điện áp tham chiếu lại không đƣa ra

ngoài, thì khi đó những IC giống nhƣ LM20 sẽ có kết quả chính xác hơn trong toàn

bộ hệ thống. Những thiết bị nhƣ LM20 chỉ hút dòng 10mA,trong khi dòng qua

thermistor phụ giá trị của R.

National tiến hành thử nghiệm một nhiệt điện trở cụ thể, Murata NTH

5G10P/16P33B103F. Đây là nhiệt điện trở có độ chính xác 1% ở 25ºC. Tiến hành

sử dụng ADCs với các độ phân giải khác nhau để kiểm tra độ chính xác tổng quát.

Độ chính xác tổng này mà phụ thuộc trên độ chính xác của ADC, lỗi của ADC(độ

phân giải, độ lệch và lỗi phi tuyến tính hay tổng sai số không thể hiệu chỉnh,.). Bởi

vì năng lƣợng tiêu tán phụ thuộc vào R, mức tín hiệu có thể bị giảm trầm trọng.

Ở hình 4-29, là đồ thị ngõ ra của điện áp thermistor trong hình 4-28 đƣợc

đƣa vào ngõ vào ACD. Chú ý rằng điện áp ngõ vào ADC giảm theo hàm logarit

khi nhiệt độ tăng. Điện trở 97,6kΩ cho sự tối ƣu về công suất tiêu tán trên

thermisstor. Điều đó cho phép thermistor kích hoạt mức năng lƣợng không vƣợt

quá mức năng lƣợng định mức trong khi vẫn duy trì đƣợc độ chính xác nhất định.

119

Hình 4-29 Ngõ ra Thermistor với các giá trị nhiệt độ khác nhau

Khi giảm giá trị của điện trở R, thì vùng làm việc tuyến tính của thermistor

cũng giảm. Với giá trị điện trở 4.7kΩ độ dốc tăng ở nhiệt độ cao, do đó công suất

tiêu tán trên thermistor sẽ tăng.

Đồ thị 4-20 so sánh độ chính xác của toàn bộ hệ thống khi sử dụng một

thermistor với một ADC 8bit và điện trở 1K; một thermistor với ADC 10bit và

điện trở 33K; cảm biến LM20 với ADC 8bit. Lỗi lƣợng tử hóa và tổng sai số

không hiệu chỉnh ADC (offset, độ khuếch đại và lỗi tuyến tính) đƣợc xem xét để

xác định độ chính xác của toàn bộ hệ thống. Nhƣ trong đồ thị, độ chính xác toàn

bộ hệ thống khi dùng cảm biến LM20 đƣợc giữ là hằng số khi nhiệt độ thay đổi. Ở

nhiệt độ trên 60ºC, cảm biến LM 20 đã hoạt động tốt hơn hẳn so với thermistor và

ADC 8 bit.

120

Hình 4-30 : Sai số của hệ thống khi dùng thermistor và LM20

7. Các mạch ứng dụng cảm biến nhiệt độ

7-1 Máy tính cá nhân

Các thế hệ gần đây của máy tính cá nhân tiêu tan rất nhiều năng lƣợng, có

nghĩa là chúng có xu hƣớng nóng lên khi hoạt động. Các bộ vi xử lý, bộ nhớ và ổ

đĩa cứng là điểm đáng chú ý nóng. Quạt làm mát có thể hoạt động để giữ nhiệt độ

trong kiểm soát, nhƣng nếu quạt bị hƣ hoặc nếu việc thông gió không tốt do bị bụi

hoặc dây kết nối chằn chịt, nhiệt độ bên trong thùng (case) của máy vi tính có thể

bị tăng cao làm giảm đáng kể đời sống của những thành phần bên trong. Đối với

máy tính xách tay máy tính vấn đề này còn khó khăn hơn.

Máy tính cá nhân, máy tính xách tay, và máy chủ sử dụng bộ cảm biến nhiệt

độ trên bo mạch để theo dõi nhiệt độ hệ thống nhằm ngăn ngừa sự phá hủy do quá

nhiệt hoặc kiểm soát tốc độ quạt để giảm thiểu âm thanh tiếng ồn. Vị trí thông

thƣờng cho cảm biến nhiệt là ở gần (và đôi khi dƣới) các bộ vi xử lý, bên trong ổ

đĩa cứng, hoặc trong chính bộ vi xử lý thông qua việc sử dụng một diode nhiệt.

Trong các máy tính Intel, khi cảm biến phát hiện sự quá nhiệt, hệ thống có thể làm

giảm tần số xung clock để giảm thiểu sự tiêu tán năng lƣợng. Nhiệt độ tăng nhanh

trong một máy tính để bàn hoặc máy chủ có thể do một quạt làm mát bị hủy và

một hệ thống cũng đƣợc thiết kế tốt có thể cảnh báo cho ngƣời sử dụng về lỗi này.

Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng, hệ thống có thể tự tắt. Nếu nhiệt độ đo lƣờng không

121

chính xác khiến việc điều khiển các quạt làm mát chạy nhanh hơn mức cần thiết sẽ

tạo ra nhiều tiếng ồn hơn.

Bộ điều khiển quạt đơn giản

Mạch trong hình 4-31 là hệ thống cảm nhiệt và mở một quạt làm mát khi

nhiệt độ bộ cảm biến nhiệt độ vƣợt quá một giá trị chọn trƣớc. IC cảm biến nhiệt

LM56 cho sự ánh xạ điện áp ngõ ra theo nhiệt độ và so sánh điện áp đầu ra với các

điện áp ngƣỡng tại các chân VT1 và VT2, đƣợc thiết lập bằng cách sử dụng ba

điện trở bên ngoài. Điện áp tham chiếu của hệ thống là 1.25V đƣợc thiết kế bên

trong. Khi nhiệt độ vƣợt quá 50 ° C thì ngõ ra của cảm biến nhiệt bên trong sẽ cao

hơn điện áp trên VT1, và quạt đƣợc bật(thông qua kết nối trên chân Out1). Nếu

nhiệt độ của cảm biến tăng trên 70 ° C, VT2 sẽ đi thấp ngõ ra của cảm biến nhiệt

bên trong và lúc đó ngõ ra OUT2 đƣợc tích cực, có thể đƣợc sử dụng để làm chậm

đồng hồ hệ thống (để giảm công suất xử lý) hoặc gây ra một ngắt để bộ vi xử lý

shutdown máy. Nếu ngõ ra thứ hai (out2) là không cần thiết, ta có thể ngắn mạch

điện trở 9.09k , và điện trở 2.67k đƣợc thay thế bằng một điện trở 11.8k. VT1 vẫn

sẽ “thấp” hơn điện áp ngõ ra cảm biến bên trong khi T = 50 ° C, nhƣng VT2 sẽ vẫn

không hoạt động.

Thông thƣờng, cảm nhiệt LM56 sẽ đƣợc đặt trên bo mạch càng gần vi xử lý

càng tốt. Đây là mạch đƣợc thiết kế cho một quạt 12V. Một cách tiếp cận khác, sử

dụng một MOSFET kênh p và và quạt 5V đƣợc trình bày trong hình 4-32

Hình 4.31 Quạt đƣợc bật khi niệt độ vƣợt 50

oC. Out2 xuống Low khi nhiệt độ vƣợt

70oC. Các ngõ ra bộ so sánh là Open collector, vì vậy cần một điện trở kéo lên ở

Out2 nếu sử dụng out2 để lái một ngõ vào logic.

122

Hình 4.32 Mạch thực hiện chức năng tƣơng tự mạch 4.31 nhƣng thiết kế điều

khiển quạt 5V.

123

7.2 Bộ điều khiển quạt nhanh/ chậm:

Mạch trong hình 4-33 lại một lần nữa sử dụng bộ điều nhiệt dùng LM56 ,

nhƣng trong trƣờng hợp này thì quạt luôn đƣợc bật. Khi nhiệt độ của board mạch

thấp, quạt chạy với tốc độ tƣơng đối chậm. Khi nhiệt độ vƣợt quá 50°C, thì tốc độ

quạt tăng lên tới giá trị tối đa. Giống mạch trong hình 4-31 và 4-32, OUT2 là một

ngõ ra thứ hai ở mức logic cho thấy nhiệt độ của bộ điều nhiệt dùng LM56 là lớn

hơn 70°C. Hơn nữa, nếu OUT2 không cần thiết, thì chân VREF và VT2 có thể đƣợc

kết nối với nhau và hai điện trở có thể đƣợc thay thế bởi 1 điện trở đơn có giá trị

bằng với tổng hai điện trở đó.

Hình 4.33 Mạch điều khiển quạt nhanh chậm không cần thêm các phần tử

công suất bằng cách điều khiển “đƣờng dẫn thứ ba” của quạt. Bình thƣờng khi

nhiệt độ thấp hơn 50oC ngõ ra OUT1 là 5V, quạt quay tốc độ chậm, khi nhiệt độ

vƣợt 50oC, OUT1 là 0V, quạt quay tốc độ tối đa

Một cách khác nữa trong phƣơng thức tiếp cận này là mạch dùng MOSFET

để bật quạt hoạt động ở một ngƣỡng nhiệt độ thấp hơn và khi nhiệt độ vƣợt qua

ngƣỡng thứ 2 thì ngõ ra out2 sẽ là ngõ vào điều khiển tốc độ quạt chạy nhanh hơn.

124

Hình 4.34. Khi nhiệt độ đo đƣợc vƣợt ngƣỡng thứ nhất thì quạt sẽ đƣợc mở với

tốc độ thấp. Nếu nhiệt độ vƣợt qua ngƣỡng thứ hai thì quạt đƣợc điều khiển chạy

tốc độ cao hơn.

7.3 Hệ thống công suất thấp:

Cảm biến nhiệt độ công suất thấp, điện áp thấp với chế độ “shutdown”

Những thiết bị di động hoạt động bằng pin nhƣ điện thoại không dây phải

hoạt động với điện áp thấp và dòng nhỏ để kéo dài tuổi thọ của pin, mạch trong

hình 4-35 là một cảm biến nhiệt họ LM94022 và nó đã đƣợc xem là khá tối ƣu với

những ứng dụng di động làm việc ở điện áp thấp từ 1.5V. Trong các hệ thông dùng

nguồn pin, mặc dù dòng tối đa của cảm biến LM94022 là 9µA những nó vẫn bị

xem nhƣ một linh kiện tiêu tốn công suất và nếu việc sử dụng liên tục trong thời

gian lâu nó có thể góp phần làm cho pin mau hết. Vì thế, cảm biến dùng ở đây

đƣợc cấp nguồn bởi một cổng logic CMOS, nghĩa là chân cấp nguồn của LM94022

cũng đƣợc xem là chân shutdown. Do nhiệt độ biến đổi chậm, và có thể đo nhanh

chóng, nên ta không cho LM94022 hoạt động liên tục. Trong chu kỳ 2 phút, ta chỉ

cấp nguồn khoảng 1s để LM94022 hoạt động và thu thập giá trị nhiệt độ, khi đó

dòng tiêu thụ trung bình của cảm biến sẽ thấp hơn 75pA

125

Hình 4.35 Cảm biến nhiệt độ 1.5V đƣợc cấp nguồn từ cổng logic

Trong nhiều thiết bị di động hoạt động bằng pin, vi điều khiển có thể chứa ADC

bên trong. Cảm biến nhiệt độ LM26LV là một linh kiện ƣu tiên quan trọng cho một hệ

thống có điện áp nguồn từ 1.6V tới 5.5V và dòng tối đa là 16µA. Nhiệt độ có thể đƣợc

đo lƣờng dựa vào chân Vtemp thông qua ADC của vi điều khiển. Cùng lúc đó thì

LM26LV tích cực ngõ ra OVERTEMP khi nhiệt độ của LM26LV vƣợt quá một giới hạn

đã đƣợc lập trình sẵn. Mức giới hạn này có thể đƣợc đặt ra bởi nhà sản xuất National

trong suốt quá trình kiểm tra sản phẩm với bất kỳ giá trị nào từ 0°C tới 150°C. Ngõ ra

OVERTEMP trong hình 4-36 đƣa tới vi điều khiển cho phép cảnh báo nhiệt nhanh

chóng. Ngõ ra OVERTEMP có thể dễ dàng đƣợc kết nối tới chân shutdown của bộ điều

chỉnh, từ đó tắt hệ thống và tránh những hậu quả không lƣờng.

Hình 4.36 Kết nối LM26V với vi điều khiển hoặc vi xử lý

126

Quản lý pin:

Mạch dùng để sạc pin khá là phức tạp từ điện áp nguồn đơn với điện trở hạn

dòng cho tới hệ thống tinh vi dựa trên “ pin thông minh” bao gồm các vi điều

khiển, các cảm biến nhiệt, ADCs, và vùng nhớ không bay hơi lƣu trữ dữ liệu sạc và

lịch sử sử dụng. Trạng thái nạp của pin đo lƣờng bằng việc sử dụng điện áp đầu

cực và theo dõi dòng sạc vào và ra khỏi pin. Bộ sạc nhanh cho pin Nicad và

NiMH cũng thƣờng dựa trên nhiệt độ của pin để xác định khi nào kết thúc quá

trình sạc.

Trong các pin Nicad, Sạc là một quá trình thu nhiệt,vi vậy pin Nicad hoặc

vẫn ở cùng nhiệt độ hoặc lạnh hơn trong quá trình sạc. khi pin đã đầy, thì nhiệt độ

của nó tăng tƣơng đối nhanh, điều đó cho ta biết nên ngừng dòng sạc(nhƣ hình 4-

37a). Quá trình sạc là quá trình tỏa nhiệt đối với pin NiMH, vì vậy nhiệt độ tăng

chậm trong suốt chu kỳ sạc. Với các loại pin đƣợc làm từ Niken, thì nhiệt độ và

điện áp thƣờng đƣợc kiểm soát để tránh sự phá hủy từ việc sạc quá đầy. Tuy nhiên,

đối với pin NiMH, sự thay đổi trong điện áp pin chậm hơn nhiều so với pin

NiCad,vì thế nhiệt độ trở thành sự chỉ dẫn đầu tiên của việc sạc quá đầy.

127

Hình 4.37 Đƣờng cong sạc nhanh của pin NiCad. Cả nhiệt độ và điện áp đều chỉ

báo về sự nạp quá đầy.

7.4 Bộ điều khiển quạt và phát hiện nhiệt độ cánh tản nhiệt của

mạch khuếch đại công suất âm tần:

Hình 4-38 mô tả bộ phát hiện sự quá nhiệt cho các linh kiện công suất.

Trong phần này , thì một IC khuếch đại công suất âm tần đƣợc kết hợp tới một

miếng tản nhiệt và một cảm biến nhiệt Celsius LM35 cũng đƣợc kết dính tới

miếng tản nhiệt này gần IC khuếch đại công suất, hoặc đƣợc gắn lên bo mạch in ở

mặt đối diện của miếng tản nhiệt. Ngõ ra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp nếu

nhƣ nhiệt độ của miếng tản nhiệt tăng trên ngƣỡng đƣợc xác định bởi R1,R2 và

điện áp tham chiếu. Ngõ ra phát hiện lỗi từ bộ so sánh để bật quạt làm mát. R3 và

R4 tạo ra hiện tƣợng trễ để tránh việc quạt bị bật/ tắt quá nhanh. Theo mạch điện

thiết kế, Quạt sẽ đƣợc hoạt động khi nhiệt độ miếng tản nhiệt vƣợt quá 80°C và tắt

khi nhiệt xuống dƣới 60°C

128

Hình 4-38 Mạch điều khiển quạt làm mạch bộ khuếch đại công suất âm tần

Một mạch tƣơng tự đƣợc chỉ ra trong hình 4-39. Trong mạch này, cảm biến, điện

áp tham chiếu,và bộ so sánh đƣợc thay thế bởi một cảm biến LM56. Quạt sẽ bật ở

80°C và việc trễ 5°C đã đƣợc kết cấu trong LM56 làm quạt lại tắt khi nhiệt độ của

cảm biến lại rớt xuống dƣới 75°C

Hình 4-39: Mạch điều khiển quạt làm mát bộ khuếch đại công suất dùng LM56, quạt

đƣợc bật nếu nhiệt độ vƣợt 80oC và tắt nếu nhiệt độ dƣới 75

oC.

129

7.5 Sử dụng cảm biến ba dây tạo cảm biến nhiệt 2 dây :

Khi nhiệt độ cảm biến nằm tại địa điểm cách xa, điều mong muốn là tối

thiểu số dây kết nối giữa cảm biến và bo mạch chính. Một cảm biến ba cực cần ba

dây để kết nối nguồn, mass và ngõ ra tín hiệu, Đối với cảm biến hai dây thì nguồn

và tín hiệu phải cùng tồn tại trên cùng một dây. Một cảm biến hai cực giống nhƣ

LM334 hoặc LM335 có thể đƣợc sử dụng, nhƣng chúng cho ra một ngõ tín hiệu có

tỷ lệ tƣơng ứng với nhiệt độ, cái này rất là bất tiện. Nếu ngõ ra tín hiệu có tỷ lệ

tƣơng ứng với °C và không hơn hai dây đƣợc yêu cầu, mạch trong hình 4-40 có thể

là một giải pháp hay. Điện áp ngõ ra của cảm biến là DC, và năng lƣợng đƣợc

truyền phát nhƣ là tín hiệu AC .

Nguồn AC cho cảm biến là một bộ dao động sóng sin (A1 và A2) kết hợp

với đƣờng truyền 2 dây thông qua tụ C6. Tại cảm biến LM45, D1, D2, C1 và C3

bao gồm một bộ chỉnh lƣu áp đôi nửa sóng và nó cung cấp nguồn cho cảm biến.

R2 cách ly ngõ ra cảm biến khỏi tải điện dung, và L1 với tín hiệu ngõ ra tạo thành

đƣờng truyền. L1 và C2 bảo vệ ngõ ra cảm biến khỏi đƣờng truyền AC trên 2 dây.

Tại ngõ ra của cuối đƣờng truyền, R2, L3, và C4 hình thành bộ lọc thông

thấp để loại bỏ thành phần AC khỏi tín hiệu ngõ ra. C5 ngăn ngừa dòng DC qua

R3, sẽ làm giảm tín hiệu nhiệt. Ngõ ra nên điều khiển tải trở kháng cao (100KΩ or

cao hơn).

130

Hình 4-40 Cảm biến nhiệt độ từ xa hai dây truyền phát ngõ ra DC mà không làm giảm độ

chính xác của nó.

131

Chƣơng 5

IC thu phát ngữ âm

Cuøng vôùi ISD2560, caùc Ic ISD2575/2590/25120 , laø loaït caùc Ic chuyeân duïng duøng

ñeå thu (record) vaø phaùt laïi(playback) aâm thanh. Ñaây laø caùc Ic chuyeân duïng chaát löôïng

cao, coù nhieàu ñöôøng ñieàu khieån cuõng nhö nhieàu mode chöùc naêng hoaït ñoäng coù theå ñaùp

öùng ñöôïc moät soá yeâu caàu nhaát ñònh trong lónh vöïc thu vaø phaùt laïi tieáng noùi.

1. SÔ ÑOÀ CHAÂN ISD2560:

Hình5.1 : Sô ñoà chaân IC ISD2560

2. SÔ ÑOÀ KHOÁI BEÂN TRONG ISD2560 :

132

Hình 5.2: Sô doà khoái beân trong cuûa ISD2560

3. MOÄT SOÁ THOÂNG SOÁ CÔ BAÛN:

Teân thoâng soá Giaù trò

Ñieän aùp nguoàn cung caáp 4.5V – 6.5V

Nhieät ñoä hoaït ñoäng 00C – 50

0C

Ñieän aùp ñaát 0V

Taàn soá laáy maãu 8 KHz

Loïc daõi thoâng 3.4 KHz

Ngoõ ra loa 50 mW ñoái vôùi loa 16

Ñieän aùp cung caáp max 7 V

133

4. MOÂ TAÛ CHÖÙC NAÊNG CAÙC CHAÂN:

Teân chaân Soá chaân Chöùc naêng

Ax / Mx 1-10/1-7 Address/Mode inputs : Caùc chaân naøy coù hai chöùc naêng

phuï thuoäc vaøo möùc ñieän aùp treân hai bit coù troïng soá cao

nhaát cuûa caùc chaân ñòa chæ (A8 vaø A9)

Neáu moät trong hai bit naøy ôû möùc thaáp, taát caû caùc ngoõ vaøo

ñöôïc xem nhö caùc bit ñòa chæ vaø ñöôïc söû duïng nhö ñòa chæ

baét ñaàu cho chu kyø ghi hoaëc phaùt. Caùc chaân ñòa chæ naøy

chæ laø caùc ngoõ vaøo khoâng xuaát ra baát kyø thoâng tin ñòa chæ

naøo beân trong trong suoát quaù trình vaän haønh. Caùc ngoõ vaøo

ñòa chæ naøy thì ñöôïc choát bôûi caïnh xuoáng cuûa CE .

Neáu caû hai chaân A8 vaø A9 ôû möùc cao, caùc ngoõ vaøo

Address/Mode ñöôïc xem nhö caùc bit cheá ñoä. Coù 6 mode

cheá ñoä vaän haønh ( seõ trình baøy sau ) töø M0M6. Ta coù

theå söû duïng nhieàu mode vaän haønh ñoàng thôøi. Caùc mode

vaän haønh cuõng ñöôïc choát ôû moãi caïnh xuoáng cuûa CE . Vì

vaäy caùc cheá ñoä vaän haønh (mode) vaø kieåu ñònh ñòa chæ tröïc

tieáp loaïi tröø laãn nhau. Noùi caùc khaùc ta khoâng theå söû duïng

cuøng luùc kieåu ñònh ñòa chæ tröïc tieáp vaø caùc mode.

AUX IN 11 Auxiliary Input ( Ngoõ vaøo boå trôï ) : Chaân naøy gheùp ngoõ

ra cuûa maïch khueách ñaïi vôùi chaân ngoõ ra loa khi CE =

high, P/ R = High , vaø playback hieän khoâng ñöôïc tích cöïc

hoaëc neáu thieát bò ñang ôû traïng thaùi traøn trong playback.

Khi gheùp nhieàu thieát bò ISD2560 vôùi nhau, chaân AXU IN

ñeå noái tín hieäu phaùt laïi töø thieát bò phía sau ñeán ngoõ ra cuûa

maïch thuùc loa cuûa thieát bò phía tröôùc. Ñeå traùnh nhieãu,

chaân naøy ñöôïc yeâu caàu khoâng ñöôïc laùi khi maûng löu tröõ

ñang laø tích cöïc.

Vssa, Vssd 13,12 Ground ( ñaát ) : Caùc IC loaït ISD2500 duøng caùc bus ñaát

soá vaø bus ñaát töông töï rieâng. Caùc chaân naøy neân ñöôïc noái

rieâng leû baèng caùc ñöôøng toång trôû thaáp ñeán mass nguoàn.

SP+/SP- 14/15 Speaker Outputs : loaït IC ISD2500 coù theå laùi moät loa coù

134

trôû khaùng laø 16 , coâng suaát 50mW.

Caùc ngoõ ra loa ñöôïc giöõ ôû möùc Vssa trong suoát quaù

trình ghi. Khoâng ñöôïc noái song song nhieàu ngoõ ra loa cuûa

caùc IC ISD2500 hoaëc ngoõ ra cuûa caùc thieát bò laùi loa khaùc.

Vieäc keát noái caùc ngoõ ra loa song song coù theå phaù huyû IC.

Moät ngoõ ra keát thuùc ñôn coù theå ñöôïc söû duïng ( bao goàm

moät tuï ñieän noái giöõa chaân SP vaø loa ). Caùc ngoõ ra naøy coù

theå ñöôïc söû duïng rieâng leû vôùi ngoõ ra tín hieäu cuûa chaân

coøn laïi. Tuy nhieân, vieäc söû duïng ngoõ ra ñôn seõ laøm cho

coâng suaát ngoõ ra giaûm ñi 4 laàn.

Vcca, Vssd 16,18 Supply voltage : Ñeå giaûm nhieãu caùc maïch ñieän soá vaø

töông töï trong loaït IC ISD 2500 söû duïng caùc bus nguoàn

rieâng. Caùc bus ñieän aùp naøy ñöôïc ñöa ñeán caùc chaân rieâng

vaø neân ñöôïc noái vôùi nhau taïi ñieåm caøng gaàn ñieåm nguoàn

caøng toát. Hôn nöõa caùc nguoàn cung caáp naøy neân ñaët gaàn

chaân linh kieän.

MIC 17 Microphone : Chaân MIC truyeàn tín hieäu ngoõ vaøo ñeán

maïch tieàn khueách ñaïi treân chip. Moät maïch AGC ( töï ñoäng

ñieàu chænh ñoä lôïi ) ñieàu chænh ñoä lôïi cuûa maïch tieàn

khueách ñaïi naøy khoaûng -15 ñeán 24 dB.

MIC REF 18 Microphone Reference : laø ngoõ vaøo ñaûo cuûa maïch tieàn

khueách ñaïi microphone. Ñieàu naøy cung caáp moät söï trieät

nhieãu hoaëc ngoõ vaøo ñöa ra moät mode chung ñeán thieát bò

khi noái vôùi moät microphone khaùc.

AGC 19 Automatic gain control: Ñieàu chænh ñoä lôïi cuûa maïch tieàn

khueách ñaïi ñeå phuø hôïp ñieän aùp ngoõ vaøo cuûa microphone.

Maïch AGC cho pheùp khoaûng roäng ñuû ñeå aâm thanh cuûa

moät tieáng coøi lôùn ñöôïc ghi laïi vôùi söï meùo daïng nhoû nhaát.

ANA IN 20 Analog input: Ngoõ vaøo Analog truyeàn tín hieäu analog

ñeán chip ñeå thöïc hieän vieäc ghi. Khi ngoõ vaøo laø

microphone chaân ANA OUT neân ñöôïc noái vôùi tuï ngoaøi

ñeán ANA IN. Giaù trò cuûa tuï cuøng vôùi 3 K toång trôû ngoõ

vaøo cuûa ANA IN seõ qui ñònh taàn soá caét döôùi vaø baêng

thoâng cuûa gioïng noùi. Neáu tín hieäu söû duïng töø nguoàn khaùc

135

microphone noù coù theå ñöa tröïc tieáp ñeán chaân ANA IN (

vieäc theâm moät tuï ôû giöõa coù theå laøm cho tín hieäu xaáu ñi ).

ANA OUT 21 Analog output: Chaân naøy laø chaân ngoõ ra cuûa maïch tieàn

kheách ñaïi ñöôïc thieát keá ñöa ra cho ngöôøi duøng. Ñoä lôïi

ñieän aùp cuûa maïch tieàn khueách ñaïi ñöôïc xaùc ñònh bôûi möùc

ñoä ñieän aùp treân chaân AGC.

OVF 23 Overflow :Tín hieäu naøy taïo ra xung ôû möùc thaáp taïi ñieåm

cuoái cuûa maûng boä nhôù, chæ ñònh raèng boä nhôù IC ñaõ ñaày vaø

thoâng tin ñaõ bò traøn. Ngoõ ra chaân OVF sau ñoù theo ngoõ

vaøo chaân CE cho ñeán khi xung PD reset laïi thieát bò .

Chaân naøy coù theå söû duïng ñeå gheùp cascade nhieàu thieát bò

ISD 2500 laïi vôùi nhau ñeå taêng theâm thôøi gian ghi hoaëc

phaùt.

CE 23 Chip Enable : Ngoõ vaøo CE xuoáng thaáp ñeå cho pheùp taát

caû caùc söï vaän haønh ghi vaø phaùt. Nhöõng chaân ñòa chæ vaø

chaân ghi / phaùt laïi ñöôïc choát bôûi caïnh xuoáng cuûa xung

CE . Chaân CE coøn coù theâm chöùc naêng khaùc trong cheá ñoä

hoaït ñoäng 6 ( mode 6 ).

PD 24 Power down ( nguoàn giaûm) : Khi khoâng coù ghi cuõng nhö

khoâng coù phaùt laïi chaân PD neân ñöôïc keùo leân möùc cao ñeå

ñöa IC vaøo cheá ñoä stanby. Khi OVF taïo ra xung LOW

cho ñieàu kieän traøn, PD neân ñöôïc noái leân HIGH ñeå reset

laïi con troû ñòa chæ taïi ñòa chæ baét ñaàu cuûa maûng boä nhôù.

Chaân PD coøn coù theâm chöùc naêng trong mode 6 (push-

button).

EOM 25 End Of Message : Ñieåm daáu khoâng maát ñöôïc töï ñoäïng

cheøn vaøo taïi nôi cuoái cuûa moãi thoâng tin ghi. Noù duy trì ôû

ñoù cho ñeán khi coù moät thoâng tin khaùc ghi ñeø leân. Ngoõ ra

EOM taïo ra moät xung thaáp cho giai ñoaïn keát thuùc cuûa

moät thoâng tin.

Khi IC ñang hoaït ñoäng trong Mode 6, chaân naøy cung caáp

moät tín hieäu tích cöïc ôû möùc cao chæ ñònh raèng IC ñang

trong traïng thaùi ghi hoaëc phaùt. Tín hieäu naøy coù theå thuaän

lôïi ñeå thuùc moät led cho thieát bò hieån thò tröïc quan traïng

136

thaùi IC ñang ghi hoaëc ñang phaùt.

XCLK 26 External Clock : Thöôøng thì taàn soá laáy maãu ta söû duïng

dao ñoäng treân chip. Vôùi loaïi ISD2560, taàn soá laáy maãu laø

8kHz thì xung clock yeâu caàu laø 1024 KHz. Heä soá coâng taùc

cuûa xung clock ngoõ vaøo khoâng quan troïng laémvì xung

clock ngay laäp töùc ñöôïc chia hai. Neáu ta khoâng söû duïng

xung clock beân ngoaøi thì neân noái chaân naøy xuoáng mass

ñeå traùnh nhieãu.

P/ R 27 Playback/Record: Ngoõ vaøo P/ R ñöôïc choát bôûi caïnh

xuoáng cuûa xung treân chaân CE . Moät möùc cao treân chaân

naøy seõ choïn cheá ñoä phaùt laïi coøn möùc thaáp treân noù seõ ñaët

IC vaøo cheá ñoä thu.

Ñeå thöïc hieän vieäc ghi, caùc chaân ñòa chæ cung caáp ñòa chæ

baét ñaàu vaø quaù trình ghi ñöôïc tieáp tuïc cho ñeán khi PD

hoaëc CE ñöôïc keùo leân möùc cao hoaëc coù daáu hieäu traøn

ñöôïc phaùt hieän ( boä nhôù bò ñaày ). Khi vieäc ghi ñöôïc taùc

ñoäng bôûi vieäc keùo PD hoaëc CE leân möùc cao, daáu keát

thuùc thoâng tin ( EOM ) ñöôïc löu tröõ taïi ñòa chæ hieän haønh

trong boä nhôù.

Ñeå thöïc hieän vieäc phaùt laïi tín hieäu, caùc ngoõ vaøo ñòa chæ

cung caáp ñòa chæ baét ñaàu vaø thieát bò seõ phaùt laïi cho ñeán

khi gaëp daáu EOM . Thieát bò coù theå vöôït qua daáu EOM

neáu CE ñöôïc giöõ möùc thaáp trong mode ñòa chæ.

5. MOÂ TAÛ CHÖÙC NAÊNG:

5.1 Moâ taû chi tieát :

Toác ñoä / Chaát löôïng aâm thanh:

Loaït IC ISD2500 bao goàm caùc thieát bò coù taàn soá laáy maãu taïi: 4.0, 5.3, 6.4 vaø 8

KHz, cho pheùp ngöôøi duøng löïa choïn toác ñoä chaát löôïng veà toác ñoä. Ñeå taêng thôøi gian ghi

/ phaùt thì buoäc phaûi giaûm taàn soá laáy maãu vaø baêng thoâng, vaø ñieàu naøy laïi aûnh höôûng ñeán

chaát löôïng cuûa aâm thanh.

Döõ lieäu laáy maãu ñöôïc löu tröõ tröïc tieáp treân boä nhôù “khoâng bay hôi” cuûa chip

khoâng coù baát kyø söï soá hoaù vaø söï keát hôïp neùn döõ lieäu nhö caùc giaûi phaùp khaùc.Vieäc löu

tröõ tröïc tieáp tín hieäu analog cung caáp moät aâm thanh töï nhieân, trung thöïc cuûa tieáng

137

noùi, nhaïc, caùc tone vaø caùc hieäu öùng aâm thanh thì khoâng ñaùp öùng vôùi haàu heát caùc giaûi

phaùp soá traïng thaùi “ñaëc”.

Thôøi gian :

Coù nhieàu heä thoáng ñöôïc yeâu caàu, nhöõng saûn phaåm ISD2560/75/90/120 cung caáp

moät giaûi phaùp chip ñôn vôùi thôøi gian löu tröõ laø 60, 75, 90, 120 giaây. Caùc IC naøy coù theå

gheùp noái vôùi nhau ñeå coù thôøi gian daøi hôn.

Teân IC Thôøi gian löu tröõ Taàn soá laáy maãu Loïc thoâng daõi

ISD2560 60 s 8.0 KHz 3.4 KHz

ISD2575 75 s 6.4 KHz 2.7 KHz

ISD2590 90 s 5.3 KHz 2.3 KHz

ISD25120 120 s 4.0 KHz 1.7 KHz

Boä nhôù EEPROM :

Moät trong nhöõng lôïi cuûa coâng ngheä Winbond’s ChipCorder laø söû duïng boä nhôù

“khoâng bay hôi”, ñieän aùp cung caáp cho vieäc löu tröõ laø Zero. Thoâng tin coù theå ñöôïc löu

tröõ treân 100 naêm maø khoâng caàn nguoàn cung caáp. Hôn nöõa thieát bò coù theå ghi laïi treân

100,000 laàn.

5.2 Caùc MODE vaän haønh :

Loaït IC ISD2500 ñöôïc thieát keá nhieàu cheá ñoä ( mode ) vaän haønh ñöôïc xaây döïng

beân trong cung caáp toái ña caùc chöùc naêng vôùi caùc thaønh phaàn beân ngoaøi ít nhaát. Caùc

mode naøy ñöôïc moâ taû chi tieát trong baûng beân döôùi. Mode vaän haønh ñöôïc truy caäp baèng

caùc ñöôøng ñòa chæ beân ngoaøi khi A8 vaø A9 ôû möùc cao. Khi A8 vaø A9 ôû möùc cao thì caùc

chaân A0 A7 ñöôïc hieåu laø nhöõng bit mode chöù khoâng coøn laø nhöõng bit ñòa chæ nöõa. Vì

vaäy cheá ñoä mode vaø caùch ñònh ñòa chæ tröïc tieáp khoâng theå töông hôïp hay noùi caùch khaùc

chuùng khoâng theå söû duïng ñoàng thôøi.

Coù hai vaán ñeà quan troïng caàn xem xeùt khi söû duïng cheá ñoä mode. Moät laø, taát caû

caùc cheá ñoä vaän haønh ñeàu baét ñaàu töø ñòa chæ 0 cuûa boä nhôù. Söï vaän haønh sau ñoù coù theå

baét ñaàu töø moät ñòa chæ khaùc, ñieàu naøy phuï thuoäc vaøo mode vaän haønh ñaõ choïn. Theâm

vaøo ñoù con troû ñòa chæ seõ reset veà 0 khi thieát bò thay ñoåi töø ghi sang phaùt, töø phaùt sang

ghi ( ngoaïi tröø tröôøng hôïp söû duïng mode 6 ) hoaëc khi chu kyø nguoàn giaûm ñöôïc thi haønh

(power down). Hai laø, caùc mode vaän haønh ñöôïc thi haønh khi CE xuoáng möùc thaáp.

Mode vaän haønh seõ duy trì aûnh höôûng cho ñeán khi tín hieäu taïi chaân CE xuoáng möùc thaáp

laàn nöõa.

138

BAÛNG CAÙC MODE VAÄN HAØNH

Mode Chöùc naêng Caùch duøng tieâu bieåu Töông hôïp

M0 Gôïi nhaéc thoâng tin Höôùng nhanh veà thoâng tin

phía tröôùc

M4, M5,M6

M1 Xoaù daáu EOM Ñaët vò trí daáu EOM taïi ñieåm

cuoái cuøng cuûa thoâng tin cuoái.

M3,M4,M5,M6

M2 Khoâng öùng duïng Ñaët tröôùc N/A

M3 Laëp voøng Tieáp tuïc phaùt laïi töø ñòa chæ 0 M1, M5, M6

M4 Ñòa chæ lieân tuïc Ghi/ Phaùt laïi nhieàu thoâng tin

lieân tuïc

M0, M1, M5

M5 Kích hoaït baèng

möùc CE

Cho pheùp döøng thoâng tin M0, M1, M3, M4

M6 Ñieàu khieån Push –

Button

Ñôn giaûn caùch giao tieáp vôùi

IC

M0, M1, M3

* Moâ taû caùc mode vaän haønh:

Caùc Mode vaän haønh coù theå ñöôïc söû duïng lieân keát vôùi moät vi ñieàu khieån, hoaëc

chuùng coù theå kieåm soaùt baèng maïch ñieän töû ñeå cung caáp moät heä thoáng nhö mong muoán.

M0 – Message Cueing:

Mode cho pheùp ngöôøi duøng boû qua thoâng tin naøy ñeå ñeán thoâng tin khaùc maø chuùng

ta khoâng caàn bieát ñòa chæ vaät lyù thöïc söï cuûa moãi thoâng tin. Moãi moät xung CE ôû möùc

thaáp laø nguyeân nhaân khieán con troû ñòa chæ beân trong boû qua thoâng tin hieän haønh nhaûy

ñeán moät thoâng tin keá tieáp. Mode naøy chæ söû duïng cho cheá ñoä phaùt laïi vaø noù thöôøng

ñöôïc söû duïng keát hôïp vôùi mode 4.

M1- Delete EOM Markers:

Mode M1 cho pheùp ghi moät caùch tuaàn töï thoâng tin ñeå keát hôïp thaønh moät thoâng tin

rieâng leû vôùi chæ moät daáu keát EOM ñaët taïi vò trí cuoái cuûa thoâng tin sau cuøng. Khi Mode

naøy ñöôïc caáu thaønh thì nhöõng thoâng tin ñaõ ghi moät caùch tuaàn töï seõ ñöôïc phaùt laïi nhö

moät thoâng tin lieân tuïc.

M2- Unused

Khi vaän haønh caùc mode ñaõ choïn chaân 2 neân ñöôïc noái xuoáng möùc thaáp.

M3- Message Looping:

139

Mode naøy cho pheùp töï ñoäng, tieáp tuïc laëp laïi thoâng tin phaùt taïi ñòa chæ baét ñaàu cuûa

khoâng gian ñòa chæ . Moät thoâng tin coù theå hoaøn toaøn laøm ñaày ISD2560 vaø seõ laëp laïi töø

ñaàu ñeán cuoái maø OVF khoâng ñi xuoáng möùc thaáp

M4 – Consecutive Addressing:

Trong suoát cheá ñoä vaän haønh bình thöôøng, con troû ñòa chæ seõ ñöôïc reset khi moät

thoâng tin ñang chôi xuyeân qua daáu keát EOM . Mode M4 ngaên caám con troû ñòa chæ reset

khi gaëp daáu keát EOM , cho pheùp thoâng tin ñöôïc phaùt laïi lieân tuïc.

M5 – CE - Level – Activated:

Mode maëc ñònh cuûa ISD2560 cho pheùp CE taùc ñoäng caïnh khi phaùt laïi vaø taùc

ñoäng möùc khi ghi. Cheá ñoä M5 laøm cho chaân CE ñöôïc hieåu laø taùc ñoäng möùc thay vì taùc

ñoäng caïnh trong suoát quaù trình phaùt laïi. Ñaây laø moät höõu ích ñaëc bieät ñeå keát thuùc vieäc

phaùt laïi söû duïng tín hieäu CE . Trong mode naøy möùc thaáp chaân CE baét ñaàu cho moät

chu kyø phaùt laïi, taïi vò trí baét ñaàu cuûa boä nhôù. Chu kyø phaùt laïi ñöôïc tieáp tuïc mieãn laø

chaân CE ñöôïc giöõ ôû möùc thaáp. Khi CE leân möùc cao thì vieäc phaùt laïi seõ ñöôïc döøng

ngay laäp töùc. Khi moät möùc thaáp môùi ôû CE xuaát hieän, noù seõ khôûi ñoäng laïi thoâng tin töø

ñòa chæ baét ñaàu ( ngoaïi tröø M4 luùc naøy cuõng ôû möùc cao ).

M6 – Cheá ñoä Push – Button

Taát caû caùc IC loaït ISD2500 ñeàu chöùa cheá ñoä vaän haønh Push-Button. Cheá ñoä M6

chuû yeáu ñöôïc söû duïng trong caùc öùng duïng giaù raát thaáp vaø ñöôïc thieát keá vôùi caùc maïch

ñieän vaø thaønh phaàn beân ngoaøi giaûm ñeán möùc toái thieåu vì theá laøm giaûm giaù thaønh cuûa

heä thoáng. Ñeå caáu thaønh mode 6 thì hai chaân A8 vaø A9 phaûi ôû möùc cao vaø chaân ñaët cheá

ñoä M6 cuõng phaûi ôû möùc cao. Moät IC söû duïng mode naøy thì luoân luoân nguoàn giaûm taïi

vò trí cuoái cuûa moãi chu kyø ghi/phaùt sau khi CE ôû möùc cao. Khi mode naøy vaän haønh ba

chaân cuûa IC coù chöùc naêng ñieàu khieån ñöôïc mieâu taû trong baûng sau:

Teân chaân Chöùc naêng hieän haønh trong cheá ñoä Push - Button

CE Khôûi ñoäng/Döøng Push-button(Taùc ñoäng xung thaáp)

PD Döøng/Reset Push-button( Taùc ñoäng xung möùc cao )

EOM ÔÛ möùc cao chæ ñònh thieát bò ñang ghi/phaùt

Chaân CE (Start/Stop):

Trong mode vaän haønh Push-Button tín hieäu taùc ñoäng xung LOW treân chaân CE

ñöôïc xem laø tín hieäu Start/Stop. Neáu khoâng coù heä thoáng hieän haønh ñang ñöôïc xöû lyù,

140

xung möùc thaáp treân chaân CE seõ khôûi ñoäng chu kyø ghi hoaëc phaùt laïi tuyø thuoäc vaøo möùc

ñieän aùp treân chaân P/ R . Moät xung sau nöõa cuûa chaân CE xuaát hieän, tröôùc khi gaëp daáu

keát EOM trong khi phaùt laïi hoaëc tröôùc khi döõ lieäu bò traøn trong cheá ñoä ghi, noù seõ laøm

döøng söï vaän haønh, vaø boä ñeám ñòa chæ khoâng bò reset. Moät xung CE tieáp theo nöõa seõ

laøm cho thieát bò tieáp tuïc vaän haønh taïi nôi maø noù ñaõ döøng.

Chaân PD ( Stop/ Reset ):

Trong cheá ñoä vaän haønh Push – Button, tín hieäu xung möùc cao cuûa chaân PD ñöôïc

xem laø tín hieäu Stop/Reset. Khi moät chu kyø ghi hoaëc phaùt laïi ñang ñöôïc xöû lyù, moät

xung cao treân chaân PD, chu kyø hieän haønh seõ ñöôïc döøng vaø con troû ñòa chæ seõ ñöôïc

reset veà 0, ñòa chæ baét ñaàu cuûa khoaûng khoâng thoâng tin.

EOM (RUN):

Trong cheá ñoä vaän haønh Push-Button, tín hieäu EOM trôû thaønh tín hieäu “tích cöïc

chaïy möùc cao” coù theå ñöôïc söû duïng ñeå thuùc moät led hoaëc moät thieát bò beân ngoaøi khaùc.

Chaân naøy ôû möùc cao baát cöù khi naøo heä thoáng ghi hoaëc phaùt laïi ñang ñöôïc xöû lyù.

Ghi trong cheá ñoä Push-Button:

1. Chaân PD ôû möùc thaáp, thöôøng söû duïng moät ñieän trôû keùo xuoáng.

2. Chaân P/ R ôû möùc thaáp.

3. Chaân CE laø xung möùc thaáp. Baét ñaàu ghi, EOM töï ñoäng leân möùc cao chæ

ñònh raèng heä thoáng vaän haønh ñang ñöôïc xöû lyù.

4. Khi CE coù xung möùc thaáp tieáp theo, vieäc ghi bò döøng, EOM töï ñoäng xuoáng

möùc thaáp. Con troû ñòa chæ beân trong khoâng bò xoaù, nhöng daáu EOM ñöôïc löu tröõ laïi

trong boä nhôù chæ ñònh khi moät thoâng tin keát thuùc. Chaân P/ R coù theå leân möùc cao trong

thôøi gian naøy vaø baát kyø moät xung CE naøo tieáp theo seõ laøm cho heä thoáng phaùt laïi taïi ñòa

chæ 0.

5. Khi chaân CE laø moät xung thaáp. Vieäc ghi laïi tieáp tuïc taïi ñòa chæ tieáp theo

sau daáu EOM ñaët ôû phía tröôùc. Chaân EOM laïi quay trôû laïi möùc cao.

6. Khi vieäc ghi laàn löôït ñöôïc hoaøn thaønh, xung thaáp CE cuoái seõ keát thuùc chu

kyø ghi sau cuøng, baèng vieäc ñaët daáu EOM taïi thoâng tin keát thuùc. Vieäc ghi coù theå keát

thuùc baèng vieäc ñaët chaân PD leân möùc cao, nôi maø noù seõ ñeå laïi moät daáu keát EOM .

Phaùt laïi trong cheá ñoä Push-Button:

1. Xung PD ôû möùc thaáp.

2. Chaân P/ R ñaët ôû möùc cao.

3. Taùc ñoäng xung thaáp leân chaân CE . Quaù trình phaùt laïi baét ñaàu, chaân EOM töï

ñoäng leân möùc cao cho bieát heä thoáng ñang xöû lyù.

141

4. Neáu CE coù moät xung möùc thaáp hoaëc daáu EOM ñöôïc phaùt hieän trong quaù

trình vaän haønh, phaàn naøy seõ bò döøng laïi. Con troû ñòa chæ beân trong khoâng bò xoùa vaø

EOM chuyeån xuoáng möùc thaáp. Chuùng ta coù theå thay ñoåi traïng thaùi chaân P/ R trong thôøi

gian naøy, khi ñoù moät chu kyø ghi sau ñoù seõ khoâng reset con troû döõ lieäu vaø vieäc ghi seõ

baét ñaàu taïi nôi phaùt vöøa keát thuùc.

5. Taùc ñoäng moät xung thaáp treân chaân CE moät laàn nöõa, quaù trình phaùt laïi seõ baét

ñaàu taïi nôi maø noù vöøa rôøi khoûi, vaø EOM laïi leân möùc cao chæ ñònh heä thoáng ñang xöû lyù.

6. Vieäc phaùt laïi tieáp tuïc nhö böôùc 4 vaø böôùc 5 cho ñeán khi PD ñöôïc taùc ñoäng bôûi

xung möùc cao, hoaëc côø traøn ñöôïc phaùt hieän.

7. Neáu bò traøn, vieäc keùo CE xuoáng möùc thaáp seõ reset con troû ñòa chæ vaø baét ñaàu

phaùt laïi töø ñòa chæ baét ñaàu. Sau khi chuùng ta taùc ñoäng xung treân chaân PD thì phaàn naøy

ñöôïc reset veà ñòa chæ 0.

6. GIÔÙI THIEÄU HAI MAÏCH ÖÙNG DUÏNG ISD2560

6.1 Maïch öùng duïng ñieån hình ( Duøng caùch truy caäp ñòa chæ tröïc tieáp )

Hình 5.2: Sô ñoà maïch ñieän thu/phaùt tieáng noùi duøng caùch ñònh ñòa chæ tröïc tieáp

142

Böôùc ñieàu khieån Chöùc naêng Taùc ñoäng

1 Ñaët chip vaøo cheá ñoä Ghi/Phaùt laïi 1.PD=Low, 2. P/ R = theo

yeâu caàu

2 Ñaët ñòa chæ cho vieäc ghi hoaëc phaùt Ñaët ñòa caùc chaân A0A9

3A Baét ñaàu phaùt laïi P/ R =High, CE = Pulse

Low

3B Baét ñaàu ghi P/ R =Low, CE = Low

4A Keát thuùc vieäc phaùt Töï ñoäng

4B Keát thuùc vieäc ghi PD hoaëc CE = High

6.2 Maïch thu phaùt tieáng noùi söû duïng cheá ñoä Push – Button :

Hình 5.3 : Sô ñoà maïch ñieän thu/phaùt tieáng noùi söû duïng cheá ñoä Push-Button

143

Baûng moâ taû chöùc naêng caùc nuùt ñieàu khieån:

Böôùc ñieàu khieån Chöùc naêng Taùc ñoäng

1 Choïn cheá ñoä ghi/phaùt Ñaët möùc ñieän aùp P/ R theo yeâu caàu

2A Baét ñaàu vieäc phaùt laïi P/ R = High, CE = xung möùc thaáp

2B Baét ñaàu ghi P/ R =Low, CE = xung möùc thaáp

3 Döøng vieäc ghi hoaëc phaùt CE = xung möùc thaáp

4A Keát thuùc vieäc phaùt laïi Töï ñoäng taïi EOM hoaëc PD= xung möùc

cao.

4B Keát thuùc vieäc ghi PD = xung möùc cao

144

Chƣơng 6

Bộ nhớ Bán dẫn

1. Thuật ngữ liên quan đến bộ nhớ

Để tìm hiểu cấu tạo, hoạt động của bộ nhớ chúng ta bắt đầu với một số thuật ngữ

liên quan đến bộ nhớ

- Tế bào nhớ: là linh kiện hay một mạch điện tử dùng để lƣu trữ một bit đơn (0 hay 1).

Thí dụ của một tế bào nhớ bao gồm: mạch FF, tụ đƣợc tích điện, một điểm trên băng từ

hay đĩa từ. . . .

- Từ nhớ : là một nhóm các bit (tế bào) trong bộ nhớ dùng biểu diễn các lệnh hay dữ liệu

dƣới dạng một số nhị phân. Thí dụ một thanh ghi 8 FF là một phần tử nhớ lƣu trữ từ 8 bit.

Kích thƣớc của từ nhớ trong các máy tính hiện đại có chiều dài từ 4 đến 64 bit.

- Byte : từ 8 bit, đây là kích thƣớc thƣờng dùng của từ nhớ trong các máy vi tính.

- Dung lƣợng : chỉ số lƣợng bit có thể lƣu trữ trong bộ nhớ. Thí dụ bộ nhớ có khả năng

lƣu trữ 4.096 từ nhớ 20 bit, dung lƣợng của nó là 4096 x 20, mỗi 1024 (=210

) từ nhớ đƣợc

gọi là “1K”, nhƣ vậy 4096 x 20 = 4K x 20. Với dung lƣợng lớn hơn ta dùng “1M” hay

1meg để chỉ 220

= 1.048.576 từ nhớ.

- Địa chỉ : là số nhị phân dùng xác định vị trí của từ nhớ trong bộ nhớ. Mỗi từ nhớ đƣợc

lƣu trong bộ nhớ tại một địa chỉ duy nhất. Địa chỉ luôn luôn đƣợc biểu diễn bởi số nhị

phân, tuy nhiên để thuận tiện ngƣời ta có thể dùng số hex hay thập phân, bát phân

- Tác vụ đọc : (Read, còn gọi là fetch ), một từ nhớ tại một vị trí nào đó trong bộ nhớ

đƣợc truy xuất và chuyển sang một thiết bị khác.

- Tác vụ viết : (ghi, Write, còn gọi là store ), một từ mới đƣợc đặt vào một vị trí trong bộ

nhớ, khi một từ mới đƣợc viết vào thì từ cũ mất đi.

- Thời gian truy xuất (access time) : số đo tốc độ hoạt động của bộ nhớ, ký hiệu tACC .

Đó là thời gian cần để hoàn tất một tác vụ đọc. Chính xác đó là thời gian từ khi bộ nhớ

nhận một địa chỉ mới cho tới lúc dữ liệu khả dụng ở ngã ra bộ nhớ.

- Bộ nhớ không vĩnh cữu (volatile) : Bộ nhớ cần nguồn điện để lƣu trữ thông tin. Khi

ngắt điện, thông tin lƣu trữ bị mất. Hầu hết bộ nhớ bán dẫn là loại không vĩnh cữu, trong

khi bộ nhớ từ là loại vĩnh cữu (nonvolatile).

145

- Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (Random-Access Memory, RAM) : Khi cần truy xuất

một địa chỉ ta tới ngay địa chỉ đó. Vậy thời gian đọc hay viết dữ liệu vào các vị trí nhớ

khác nhau trong bộ nhớ không tùy thuộc vào vị trí nhớ. Nói cách khác, thời gian truy xuất

nhƣ nhau đối với mọi vị trí nhớ. Hầu hết bộ nhớ bán dẫn và nhẫn từ (bộ nhớ trong của

máy tính trƣớc khi bộ nhớ bán dẫn ra đời) là loại truy xuất ngẫu nhiên.

- Bộ nhớ truy xuất tuần tự (Sequential-Access Memory, SAM) : Khi cần truy xuất một

địa chỉ ta phải lƣớt qua các địa chỉ trƣớc nó. Nhƣ vậy thời gian đọc và viết dữ liệu ở

những vị trí khác nhau thì khác nhau. Những thí dụ của bộ nhớ này là băng từ, đĩa từ. Tốc

độ làm việc của loại bộ nhớ này thƣờng chậm so với bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên.

- Bộ nhớ đọc/viết (Read/Write Memory, RWM) : Bộ nhớ có thể viết vào và đọc ra.

- Bộ nhớ chỉ đọc (Read-Only Memory, ROM): là bộ nhớ mà tỉ lệ tác vụ đọc trên tác vụ

ghi rất lớn. Về mặt kỹ thuật, một ROM có thể đƣợc ghi chỉ một lần ở nơi sản xuất và sau

đó thông tin chỉ có thể đƣợc đọc ra từ bộ nhớ. Có loại ROM có thể đƣợc ghi nhiều lần

nhƣng tác vụ ghi khá phức tạp hơn là tác vụ đọc. ROM thuộc loại bộ nhớ vĩnh cữu và dữ

liệu đƣợc lƣu giữ khi đã cắt nguồn điện.

2. Giới thiệu các loại bộ nhớ SRAM hay DRAM, EEPROM hay flash? Bạn sẽ sử dụng loại bộ nhớ nào cho ứng

dụng của mình?

Có nhiều loại bộ nhớ đáp ứng trong các hệ thống máy tính hiện đại. Một kỹ sƣ

phần mềm nhúng cần hiểu biết sự khác nhau giữa chúng và làm thế nào để sử dụng hiệu

quả các loại bộ nhớ. Trong phần thảo luận này, chúng ta sẽ xem xét các loại bộ nhớ này

trên phƣơng diện ngƣời phát triển phần mềm. Hãy nhớ rằng sự phát triển của các loại bộ

nhớ này đẫ mất một vài thậ niên và phần cứng của chúng có sự khác nhau đáng kể. Tên

của các loại bộ nhớ cũng phản ánh tính chất lịch sử của quá trình phát triển và thƣờng tạo

nên sự nhầm lẫn hơn là sự sâu xa về tính chất. Hình 6.1 phân biệt các loại bộ nhớ chúng

ta sẽ thảo luận nhƣ RAM, ROM, hoặc một loại lai của chúng.

Hình 6.1 Các loại bộ nhớ thông thường của các hệ thống nhúng

146

2.1 Các loại RAM

Họ RAM bao gồm hai thiết bị nhớ quan trọng là : RAM tĩnh(SRAM) và RAM

động(DRAM). Sự khác nhau cơ bản giữa giữa hai loại này là thời gian dữ liệu đƣợc lƣu

trữ. SRAM di trì nội dung của nó miễn là nguồn điện đƣợc cấp cho chip nhớ. Nếu nguồn

bị tắt hoặc bị gián đoạn thì nội dung dữ liệu bị mất mãi mãi. DRAM thì lại khac, thời ian

dữ liệu tồn tại cực ngắn khoảng 4 ms mặc dù nguồn cung cấp vẫn còn.

SRAM có tất cả tính năng của bộ nhớ RAM. Khi so sánh điều đó với DRAM

dƣờng nhƣ không phải nhƣ vậy. Với một phần cứng đơn giản kết nối thêm gọi là bộ điều

khiển DRAM(DRAM controller) có thể đƣợc sử dụng để làm DRAM giống nhƣ SRAM.

Nhiệm vụ của bộ điều khiển DRAM là làm tƣơi (refresh) dữ liệu chứa trong DRAM theo

chu kỳ. Bằng việc làm tƣơi dữ liệu trƣớc khi nó mất, nội dung dữ liệu trong DRAM sẽ

đƣợc di trì miễn là còn điện nguồn cung cấp. Do vậy DRAM thì hữu dụng nhƣ SRAM

sau tất cả!

Khi quyết định chọn loại RAM nào để sử dụng, một ngƣời thiết kế hệ thống nên

xem xét thời gian truy cập và giá của nó. Các thiết bị SRAM cho thời gian truy cập cực

nhanh(xấp xỉ gấp 4 lần so với DRAM) nhƣng giá thành thì mắc hơn nhiều để sản xuất.

Nhìn chung, SRAM chỉ sử dụng tại những nơi tốc độ truy cập là rất quan trọng. Khi sử

dụng số lƣợng lớn thì DRAM cho giá thành giảm đáng kể.

Ở đây ta chia phân biệt hai loại RAM nguyên thủy, hiện nay các loại RAM đã phát triển

rất nhiều, tốc độ đƣợc cải thiện và giá thành ngày càng hạ.

2.2 Các loại ROM

Các loại bộ nhớ họ ROM đƣợc phân biệt dựa vào phƣơng pháp ghi dữ liệu mới lên

chúng(đƣợc gọi là lập trình) và số lần chúng có thể rewritten (viết lại). Một thuộc tính

chung của tất cả các loại ROM là dữ liệu đƣợc di trì trong suốt thời gian nguồn cung cấp

bị gián đoạn hoặc bị mất.

- Masked ROM

Loại ROM nguyên thủy đầu tiên là các thiết bị chứa đƣợc dữ liệu hoặc câu lệnh

đƣợc lâp trình sẵn tại nhà máy. Ngƣời ta gọi là ROM này là ROM mặt nạ (masked

ROM). Một yếu tố thuận lợi của loại ROM này là giá thành thấp. Nhƣng cũng thật không

may mắn là giá thấp chỉ thật sự thấp khi số lƣợng lớn các ROM nhƣ vậy đƣợc sản xuất.

Hình 6.2 là mô hình của một MROM trong đó các ô vuông là nơi chứa (hay

không) một linh kiện (diod, transistor BJT hay MOSFET) để tạo bit. Mỗi ngã ra của

mạch giải mã địa chỉ gọi là đƣờng từ và đƣờng nối tế bào nhớ ra ngoài gọi là đƣờng bit.

Khi đƣờng từ lên mức cao thì tế bào nhớ hoặc từ nhớ đƣợc chọn.

147

Hình 6.2 Mô hình MROM

Nếu tế bào nhớ là Diod hoặc BJT thì sự hiện diện của linh kiện tƣơng ứng với bit

1 (lúc này đƣờng từ lên cao, Transsisstor hoặc diod dẫn, dòng điện qua điện trở tạo điện

thế cao ở hai đầu điện trở) còn vị trí nhớ trống tƣơng ứng với bit 0. Đối với loại linh kiện

MOSFET thì ngƣợc lại, nghĩa là sự hiện diện của linh kiện tƣơng ứng với bit 0 còn vị trí

nhớ trống tƣơng ứng với bit 1 (muốn có kết quả nhƣ loại BJT thì thêm ở ngã ra các cổng

đảo).

- PROM:

Một bƣớc phát triển tiếp theo ROM mặt nạ là PROM (programmable ROM), đƣợc

ngƣời sử dụng mua ở trạng thái chƣa đƣợc lập trình. Nếu bạn có thể nhìn vào nội dung

của PROM bạn sẽ thấy chỉ toàn trạng thái 1. Việc ghi dữ liệu lên PROM đƣợc thực hiện

bởi một thiết bị đặc biệt đƣợc gọi là bộ lập trình. Bộ lập trình ghi dữ liệu lần lƣợt từng từ

dữ liệu đến PROM bằng cách nạp điện vào các chân ngõ vào trên chip. Một PROM có

thể lập trình theo cách này. Dữ liệu chứa trong nó sau khi lập trình sẽ không bao giờ thay

đổi. Nếu mã hoặc dữ liệu chứa trong PROM bắt buộc phải thay đổi, có nghĩa là PROM

hiện tại phải bị bỏ đi. Vì vậy, PROM còn đƣợc biết nhƣ những thiết bị chỉ thể lập trình

một lần (OTP :one time programmable devices).

Có cấu tạo giống MROM nhƣng ở mỗi vị trí nhớ đều có linh kiện nối với cầu chì.

Nhƣ vậy khi xuất xƣởng các ROM này đều chứa cùng một loại bit (gọi là ROM trắng),

lúc sử dụng ngƣời lập trình thay đổi các bit mong muốn bằng cách phá vỡ cầu chì ở các

vị trí tƣơng ứng với bit đó. Một khi cầu chì đã bị phá vỡ thì không thể nối lại đƣợc do đó

loại ROM này cho phép lập trình một lần duy nhất để sử dụng, nếu bị lỗi không thể sửa

chữa đƣợc (Hình 6.3). Ngƣời ta có thể dùng 2 diod mắc ngƣợc chiều nhau, mạch không

dẫn điện, để tạo bit 0, khi lập trình thì một diod bị phá hỏng tạo mạch nối tắt, diod còn lại

dẫn điện cho bit 1.

148

Hình 6.3 Cấu tạo PROM

- EPROM

Một EPROM (erasable and programmable ROM) có thể đƣợc lập trình chính xác nhƣ

PROM. Tuy nhiên EPROM có thể đƣợc xóa và lập trình lại nhiều lần. Để xóa một

EPROM, đơn giản bạn chỉ cần cho thiết bị tiếp xúc với nguồn tia cực tím mạnh (một

“cửa sổ” trên IC cho phép ánh sáng tiếp cận với silicon bên trong). Khi làm việc này, có

nghĩa là bạn đã reset EPROM về trạng thái khởi tạo-trạng thái chƣa đƣợc lập trình. Mặc

dù giá mắc hơn PROM nhiều, nhƣng việc có thể lập trình nhiều lần đã làm cho EPROM

thật sự cần thiết cho các quá trình kiểm tra và phát triển phần mềm.

Một lần nữa chúng ta có một mạng lƣới các cột và các hàng. Trong một EPROM, các

tế bào ở mỗi điểm có hai transistor bán dẫn. Hai transistor bán dẫn đƣợc phân cách nhau

bởi một lớp oxit mỏng. Một trong hai transistor có cực cổng thả nổi và và transistor còn

lại có cực cổng đƣợc điều khiển. Liên kết duy nhất của cực cổng thả nổi với hàng

(wordline) là thông qua cực điều khiển. Khi liên kết này đƣợc đặt ra, tế bào có giá trị

1. Để thay đổi giá trị thành 0 đòi hỏi một quá trình khá thú vị gọi là đƣờng hầm Fowler-

Nordheim. Đƣờng hầm đƣợc sử dụng để thay đổi vị trí của các điện tử trong cực thả

nổi. Một điện áp nạp, thƣờng là 10-13 volt, đƣợc đƣa đến cực cổng thả nổi. Điện áp nạp

này đƣợc đƣa ra từ cột (bitline), đi vào cực thả nổi và chảy xuống mass. Điện áp nạp

khiến các transistor cực cổng thả nổi hoạt động nhƣ một súng điện tử. Các Electron đƣợc

đẩy qua và bị mắc kẹt ở phía bên kia của lớp oxit mỏng, cho nó một điện tích âm. Các

electron tích điện âm hoạt động nhƣ một rào cản giữa cổng điều khiển và cổng thả nổi

nổi. Một EPROM trống có tất cả các cổng hoàn toàn mở, nên mỗi tế bào của nó có giá

trị là 1

149

Hình 6.4 Nguyên tắc hoạt động của một tế bào nhớ EPROM

Để ghi lại EPROM, đầu tiên bạn phải xóa nó. Để xóa EPROM, ngƣời ta chiếu tia U.V.

vào các tế bào trong một khoảng thời gian xác định để electron trên cổng nổi nhận đủ

năng lƣợng vƣợt qua lớp cách điện trở về vùng nền tái hợp với lỗ trống xóa điện lộ P và

transistor trở về trạng thái không dẫn ban đầu.

2.3 Các thiết bị lai (Hydrids)

Khi công nghệ bộ nhớ đã trƣởng thành trong những năm gần đây, ranh giới giữa

RAM và ROM đã bị lu mờ. Bây giờ, một số loại bộ nhớ kết hợp các tính năng của cả

hai. Các thiết bị này không thuộc một trong hai nhóm và có thể đƣợc gọi chung là các

thiết bị bộ nhớ lai. Các loại bộ nhớ lai có thể đƣợc đọc và ghi nhƣ mong muốn, giống nhƣ

RAM, nhƣng nội dung của chúng có thể di trì mà không cần nguồn cung cấp, giống nhƣ

ROM. Hai trong số các thiết bị lai, EEPROM và flash, là thế hệ sau của các thiết bị

150

ROM. Đây là những thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu trữ mã. Thiết bị lai thứ ba, NVRAM, là

một phiên bản sửa đổi của SRAM. NVRAM thƣờng chứa dữ liệu liên tục.

- EEPROM (Electrically erasable and programmable ROM)

Là thiết bị nhớ có thể đƣợc lập trình và xóa bằng điện. Bên trong nó tƣơng tự EPROM

nhƣng hoạt động xóa dữ liệu đƣợc thực hiện hoàn toàn bằng điện. Bất kỳ byte nào trong

EEPROM đều có thể xóa và viết lại. EPROM khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm quan

trọng của EPROM, nó không cần phải xóa để ghi lại, khi thay cần thay đổi một phần dữ

liệu không cần phải xóa hoàn toàn chip, và việc thay đổi nội dung không cần các thiết bị

chuyên dụng.

EEPROM thay đổi một byte tại một thời điểm, nên nó trở nên quá chậm trong một số

thiết bị yêu cầu tốc độ lƣu trữ dữ liệu nhanh.

- FLASH ROM

EPROM là loại nonvolatile, có tốc độ truy xuất nhanh (khoảng 120ns), mật độ tích

hợp cao, giá thành rẻ tuy nhiên để xóa và nạp lại phải dùng thiết bị đặc biệt và lấy ra khỏi

mạch.

EEPROM cũng nonvolatile(không bay hơi), cũng có tốc độ truy xuất nhanh, cho

phép xóa và nạp lại ngay trong mạch trên từng byte nhƣng có mật độ tích hợp thấp và giá

thành cao hơn EPROM.

Bộ nhớ FLASH ROM tận dụng đƣợc các ƣu điểm của hai loại ROM nói trên,

nghĩa là có tốc độ truy xuất nhanh, có mật độ tích hợp cao nhƣng giá thành thấp. Hầu hết

các FLASH ROM sử dụng cách xóa đồng thời cả khối dữ liệu nhƣng rất nhanh (hàng

trăm ms so với 20 min của U.V. EPROM). Những FLASH ROM thế hệ mới cho phép

xóa từng sector (512 byte) thậm chí từng vị trí nhớ mà không cần lấy IC ra khỏi mạch.

FLASH ROM có thời gian ghi khoảng 10μs/byte so với 100 μs đối với EPROM và 5 ms

đối với EEPROM

3. Giới thiệu một số IC RAM, ROM thông dụng: 3.1 RAM 6264(RAM tĩnh):

3.1.1 Một số đặc tính quan trọng:

- Thời gian truy cập 50,7 ns.

- Công nghệ CMOS tối ƣu nguồn, tốc độ.

- Dễ dàng mở rộng bộ nhớ với các chân và

- Ngõ vào và ngõ ra tƣơng thích với chuẩn TTL.

- Tự động vào chế độ nguồn giảm khi không đƣợc chọn(giảm đến 70% công suất tiêu

thụ).

- Các chân I/O đƣợc giữ ở trạng thái tổng trở cao trừ khi : chip đƣợc chọn + các chân ngõ

ra đƣợc cho phép và chân cho phép ghi (WE\ ) ở mức cao.

151

3.1.2 Sơ đồ khối và sơ đồ chân CY6264

3.3 Bảng các thông số chính:

152

3.4 Quá trình đọc/ghi ở Ram 6264:

Quá trình đọc

Quá trình ghi