Ph−¬ng ph¸p n©ng cao ®é tin cËy
vμ kh¶ n¨ng chèng nhiÔu
khi thiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö
sö dông kü thuËt vi xö lý
TS. nguyÔn thanh h¶i
Bé m«n §iÒu khiÓn häc - §H GTVT
Tãm t¾t: Trªn thÞ tr−êng ViÖt Nam hiÖn nay ®· xuÊt hiÖn mét lo¹t c¸c s¶n phÈm sö dông
vi xö lý ®iÒu khiÓn trong lÜnh vùc tù ®éng ho¸ do c¸c nhμ chÕ t¹o trong n−íc s¶n xuÊt. PhÇn lín
c¸c s¶n phÈm nμy ®Òu ®¸p øng ®−îc yªu cÇu c«ng nghÖ cña lÜnh vùc øng dông, nh−ng ®Ó c¸c
s¶n phÈm ®¸p øng ®−îc yªu cÇu trong s¶n xuÊt ngoμi yÕu tè c«ng nghÖ cßn ph¶i ®¸p øng ®−îc
c¸c yªu cÇu vÒ ®é tin cËy, ®é bÒn vμ kh¶ n¨ng chèng nhiÔu cao.
Summary: Nowadays, products of microcontrollers are used popularly in the field of
automation. The article presents some methods of promoting stability and reducing distortion.
Trong ph¹m vi bµi b¸o nµy ph©n tÝch mét vµi ph−¬ng ph¸p ®Ó n©ng cao ®é tin cËy vµ kh¶
n¨ng chèng nhiÔu khi thiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö sö dông kü thuËt vi xö lý.
Modul khuyÕch
®¹i Analog
Modul biÕn ®«i
BUS
Modul Vi sö lý
BUS
Bµn phÝm
Modul hiÓn thÞ
Modul c«ng suÊt
Modul nguån
§Çu vµo Digital
§Çu vµo
Nguån cÊp
100-260VAC
c«ng suÊt
Nguån khèi
DVCC
AVCC
AVCC
AVCC
DVCC
DVCC DVCC
ADC
Analog
H×nh 1.
Trong h×nh (1) m« t¶ s¬ ®å khèi cña m¹ch ®iÖn tö th−êng dïng cho c¸c hÖ thèng ®o l−êng
vµ ®iÒu khiÓn sö dông vi xö lý.
M¹ch analog cã chøc n¨ng khuyÕch ®¹i c¸c tÝn hiÖu tõ c¸c ®Çu ®o (Sensor), phÇn ®Çu vµo
cña m¹ch nµy th−êng cã tÝn hiÖu nhá tõ 1 mV ÷ 100 mV. Trong tr−êng hîp xuÊt hiÖn nhiÔu vµo
phÇn nµy cã thÓ g©y ra sai sè lín cña hÖ thèng ®o.
Th«ng qua khèi biÓn ®æi ADC c¸c tÝn hiÖu d¹ng t−¬ng tù sÏ ®−îc chuyÓn ®æi thµnh d¹ng sè
truyÒn vÒ khèi vi xö lý.
Khèi hiÓn thÞ vµ bµn phÝm cã chøc n¨ng giao tiÕp víi ng−êi sö dông thiÕt bÞ.
Khèi c«ng suÊt ra cã thÓ dïng ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh bªn ngoµi.
Khèi nguån cã chøc n¨ng cÊp nguån cho c¸c khèi kh¸c ®Ó t¨ng kh¶ n¨ng chèng nhiÔu
th−êng ®−îc thiÕt kÕ thµnh 3 phÇn:
- PhÇn cÊp nguån cho m¹ch Analog.
- PhÇn cÊp nguån cho m¹ch Digital.
- PhÇn cÊp nguån cho m¹ch c«ng suÊt ra.
Trong c¸c m¹ch ®iÖn tö cã yÕu tè chÝnh g©y nhiÔu chÝnh lµ sù g©y nhiÔu th«ng qua m¹ch
cÊp nguån, nhiÔu do tr−êng ®iÖn tõ cña c¸c thiÕt bÞ bªn ngoµi vµ nhiÔu ph¸t sinh b¶n th©n tõ
trong m¹ch thiÕt kÕ. C¸c yÕu tè nhiÔu nµy ®Òu cã thÓ g©y cho c¸c m¹ch lozic sè vµ khuyÕch ®¹i
t−¬ng tù kh«ng lµm viÖc theo ®óng thiÕt kÕ cña nhµ s¶n xuÊt dÉn ®Õn hÖ thèng lµm viÖc sai,
thËm trÝ dõng toµn bé hÖ thèng.
NhiÔu vμ ph−¬ng ph¸p chèng nhiÔu qua ®−êng cÊp nguån
Theo c¸c ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ nguån truyÒn thèng, m¹ch nguån th−êng cã c¸c thµnh
phÇn chÝnh nh− sau:
- BiÕn ¸p nguån 50/60 Hz cã t¸c dông h¹ ®iÖn ¸p tõ 220 VAC (hoÆc 110 VAC) thµnh c¸c
nguån ®iÖn ¸p thÊp tõ 8 ®Õn 18 VAC
- CÇu n¾n Diode chuyÓn thµnh 1 chiÒu
- Tô läc c¸c sãng hµi nguån xoay chiÒu.
- M¹ch æn ®Þnh ®iÖn ¸p t¹o ra c¸c ®iÖn ¸p chuÈn 5 VDC cho khèi lozic, ±12 VDC cho c¸c
khèi khuyÕch ®¹i thuËt to¸n vµ biÕn ®æi ADC.
Nguån ®iÖn thiÕt kÕ theo nguyªn lý nµy cã c¸c nh−îc ®iÓm lµ hiÖu suÊt sö dông thÊp, do
tÇn sè sãng hµi xoay chiÒu thÊp (< 100 Hz) nªn viÖc läc nguån khã kh¨n g©y nhiÔu cho khèi
lozic vµ khuyÕch ®¹i, kh«ng cã kh¶ n¨ng æn ®Þnh ®iÖn ¸p khi thay ®æi ®iÖn ¸p nguån lín, mÆt
kh¸c do kÝch th−íc biÕn ¸p nguån lín nªn chiÕm kh«ng gian cña m¹ch.
V× vËy trong c¸c thiÕt kÕ nguån hiÖn ®¹i th−êng dïng lo¹i nguån æn ¸p theo nguyªn lý ®iÒu
chÕ ®é réng xung (Switching Power Suply).
Trªn h×nh 2 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý ®¬n gi¶n nhÊt cña m¹ch nguån ®iÒu chÕ ®é r«ng
xung.
R1
H×nh 2.
Tr−íc tiªn nguån xoay chiÒu ®iÖn ¸p biÕn ®æi tõ 100 ÷ 260 VAC ®−îc n¾n thµnh thµnh
phÇn 1 chiÒu qua cÇu diode. Trong m¹ch cã khèi t¹o dao ®éng tÇn sè 52 kHz, qua m¹ch ®iÒu
chÕ ®é réng xung ®iÒu khiÓn tranzitor tr−êng MTP 4N50. Gi¸ trÞ cña ®iÖn ¸p 1 chiÒu ®Çu ra phô
thuéc vµo biªn ®é xung vµ thêi gian tån t¹i xung trong mét chu kú ®iÒu chÕ.
Nguyªn lý cña viÖc æn ®Þnh ®iÖn ¸p cã thÓ m« t¶ nh− sau: khi ®iÖn ¸p nguån vµo gi¶m dÉn
®Õn biªn ®é xung trªn ®iÖn trë ph¶n håi R1 gi¶m, bé xö lý sÏ tù ®éng t¨ng ®é réng cña xung bï
l¹i víi sù gi¶m cña ®iÖn ¸p nguån. Ng−îc l¹i khi ®iÖn ¸p nguån t¨ng, bé xö lý sÏ tù ®éng gi¶m
®é réng xung ®iÒu chÕ kÕt qu¶ ®iÖn ¸p ra t¶i kh«ng thay ®æi khi biÕn ®æi ®iÖn ¸p nguån vµo
trong d¶i réng. Trong c¸c m¹ch thùc tÕ ng−êi ta cßn thiÕt kÕ thªm m¹ch ph¶n håi ®iÖn ¸p tõ ®Çu
ra ®Ó ®¸p øng trong tr−êng hîp t¶i ®Çu ra thay ®æi lín.
M¹ch nguån thiÕt kÕ theo nguyªn lý nµy cã kh¶ n¨ng chèng nhiÔu tèt h¬n bëi c¸c lý do
sau:
- Kh¶ n¨ng æn ®Þnh nguån tèt, ngay c¶ tr−êng hîp tôt ®iÖn ¸p ®ét biÕn.
- Lo¹i trõ hoµn toµn sãng hµi bËc thÊp (< 100 Hz), nªn kh¶ n¨ng läc nguån ®Ô dµng h¬n.
NhiÔu tr−êng ®iÖn tõ vµ ph−¬ng ph¸p chèng nhiÔu
Trong tù nhiªn cã nhiÒu nguån ph¸t nhiÔu tr−êng ®iÖn tõ d−íi d¹ng sãng v« tuyÕn nh− ®µi
ph¸t thanh truyÒn h×nh, sãng ®iÖn tho¹i di ®éng, m¸y tÝnh, c¸c motor ®iÖn trong m«i tr−êng c«ng
nghiÖp...
Quan hÖ gi÷a c−êng ®é ®iÖn tõ vµ c«ng suÊt ph¸t thÓ hiÖn ë c«ng thøc sau:
)
cm
mW
(P4,61)
m
V
(E 2
T
= (1)
trong ®ã:
E - c−êng ®é ®iÖn tõ t¹i ®iÓm ph¸t tÝnh b»ng Volt/m;
PT - c«ng suÊt ph¸t tÝnh b»ng mili Watt/cm2.
Tõ c«ng thøc nµy ta tÝnh c−êng ®é ®iÖn tõ t¹i ®iÓm c¸ch xa ®iÓm ph¸t d mÐt theo c«ng thøc
xÊp xû:
d
G.P
5,5)
m
V
(E AT
≈ (2)
trong ®ã:
E - c−êng ®é ®iÖn tõ tÝnh b»ng Volt/m;
PT - c«ng suÊt ph¸t tÝnh b»ng mili Watt/cm2;
GA - hÖ sè khuyÕch ®¹i Anten;
d - kho¶ng c¸ch tõ nguån ph¸t ®Õn ®iÓm ®o tÝnh b»ng m.
VÝ dô cã nguån ph¸t 1 W, c¸ch ®ã 1 m sÏ tån t¹i c−êng ®é ®iÖn tõ lµ 5,5 V/m. Víi ®µi ph¸t
thanh ph¸t sãng víi c«ng suÊt 10 kW th× c¸ch ®ã 1 kW sÏ tån t¹i c−êng ®é ®iÖn tõ lµ 0,6 V/m.
Víi c¸c m¹ch Analog t¸c ®éng nhiÔu ®iÖn tõ sÏ lín h¬n m¹ch Digital, v× ®Çu vµo th−êng lµ d¹ng
tÝnh hiÖu nhá.
H×nh vÏ d−íi ®©y m« t¶ t¸c ®éng g©y nhiÔu cña tr−êng ®iÖn tõ vµo m¹ch ®iÖn tö:
H×nh 3.
D©y dÉn dµi khi thiÕt kÕ m¹ch in sÏ cã t¸c dông nh− anten nhËn nhiÔu tõ tr−êng tõ ®Çu vµo
m¹ch khuyÕch ®¹i, sÏ t¹o ra ®Çu ra mét d¹ng tÝn hiÖu lín nh− h×nh vÏ 3. D−íi ®©y minh ho¹ mét
vÝ dô kh¸c m« t¶ xuÊt hiÖn nhiÔu vµo ®−êng cÊp nguån:
H×nh 4.
§Ó gi¶m bít nhiÔu trong tr−êng hîp nµy ta cã thÓ thùc hiÖn nh− sau:
- Gi¶m nhá tèi thiÓu chiÒu dµi cña ®−êng m¹ch in khi thiÕt kÕ.
- T¨ng c−êng c¸c tô läc tÇn cao (0,1 μF) gi÷a ®−êng ®Êt vµ ®−êng nguån. C¸c tô läc nµy cã
t¸c dông ng¾n m¹ch c¸c tÝn hiÖu nhiÔu khi ch¹y dµi trªn c¸c ®−êng ®Êt vµ nguån.
- Bäc kim lo¹i chèng nhiÔu cho thiÕt bÞ, nèi trùc tiÕp tÊm vá nµy xuèng ®−êng tiÕp ®Þa.
ViÖc chèng nhiÔu tõ tr−êng sö dông vá bäc kim lo¹i dùa trªn nguyªn lý sù ph¶n x¹ sãng tõ
tr−êng khi va vµo vËt thÓ kim lo¹i.
Sãng xuyªn qua
Vïng hÊp thu Sãng ph¶n x¹
Vá bäc kim lo¹i
Sãng tíi
H×nh 5.
§Ó ®¸nh gi¸ hiÖu qu¶ cña vá bäc kim lo¹i trong viÖc chèng nhiÔu tr−êng ®iÖn tõ, ta cÇn tÝnh
®−îc ®é suy gi¶m cña c−êng ®é ®iÖn tõ gi÷a sãng tíi vµ sãng xuyªn qua. §é suy gi¶m nµy lµ
kÕt qu¶ cña sù ph¶n x¹ sãng tíi trªn bÒ mÆt kim lo¹i nªn ®−îc gäi lµ ®é suy gi¶m ph¶n x¹.
§èi víi tr−êng ®iÖn, ®é suy gi¶m ph¶n x¹ phô thuéc vµo tÇn sè cña nguån ph¸t nhiÖt vµ
tÝnh chÊt cña vËt liÖu lµm vá bäc kim lo¹i:
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
μ
σ
+= 23
r
r
10e rf
log322)dB(R (3)
trong ®ã:
σr - hÖ sè truyÒn dÉn t−¬ng ®èi cña vá bäc kim lo¹i;
μr - hÖ sè tõ thÈm t−¬ng ®èi cña vá bäc kim lo¹i;
f - tÇn sè cña nguån ph¸t nhiÔu;
r - kho¶ng c¸ch ®Õn nguån nhiÔu.
T−¬ng tù ®èi víi tr−êng tõ, ®é suy gi¶m ph¶n x¹ phô thuéc vµo tÇn sè cña nguån ph¸t
nhiÖt vµ tÝnh chÊt cña vËt liªu lµm vá bäc kim lo¹i:
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
μ
σ
+=
r
r
2
10m
fr
log6.14)dB(R (4)
Khi kho¶ng c¸ch ®Õn ®iÓm ph¸t nhiÔu lín (r > λ/2π) ®é suy gi¶m ph¶n x¹ cña tr−êng ®iÖn
tõ ®−îc tÝnh theo c«ng thøc:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
μ
σ
+= f
log168)dB(R
r
r
10pw (5)
Khi sãng ®iÖn tõ ®i xuyªn vµo trong vá kim lo¹i, tiÒp tôc bÞ hÊp thu mét phÇn n¨ng l−îng
nªn c−êng ®é sãng khi ®i ra ngoµi tiÕp tôc bÞ suy gi¶m. §é suy gi¶m hÊp thô ®−îc tÝnh theo
c«ng thøc: