intTypePromotion=3

Luận văn nghiên cứu và ứng dụng card điều khiển số DSP để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động

Chia sẻ: Orchid_1 Orchid_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:133

0
238
lượt xem
90
download

Luận văn nghiên cứu và ứng dụng card điều khiển số DSP để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

ín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp. Đầu ra của bộ lọc là tín hiệu tương tự UA biến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của Um. Vậy bộ lọc thông thấp đóng vai trò là bộ nội suy.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn nghiên cứu và ứng dụng card điều khiển số DSP để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động

  1. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP -----------***----------- THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Học viên: Đinh Văn Nghiệp Lớp: CHK10 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD Khoa học:TS. Bùi Chính Minh Ngày giao đề tài: 01/02/2009 Ngày hoàn thành: 31/07/2009 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC CB HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN Đinh Văn Nghiệp TS. Bùi Chính Minh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  2. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ----------------***---------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: Học viên: ĐINH VĂN NGHIỆP Người HD Khoa học: TS. BÙI CHÍNH MINH THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  3. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ----------------***---------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ĐINH VĂN NGHIỆP THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  4. LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đinh Văn Nghiệp Sinh ngày 25 tháng 12 năm 1981 Học viên lớp cao học khoá 10 - Tự động hoá - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng Card điều khiển số DSP (Digital signal Processor) để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động” do thầy giáo TS. Bùi Chính Minh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật. Thái Nguyên, ngày 31 tháng 7 năm 2009 Tác giả luận văn Đinh Văn Nghiệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1
  5. LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Bùi Chính Minh, luận văn với đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng Card điều khiển số DSP (Digital signal Processor) để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS. Bùi Chính Minh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo thuộc bộ môn Tự động hoá – Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Trung tâm Thí nghiệm Trường đại học kỹ thuật Công Nghiệp, đặc biệt là các cán bộ phòng thí nghiệm tự động hoá đã tận tình giúp đỡ tác giả xây dựng hệ thực nghiệm. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. Tác giả luận văn Đinh Văn Nghiệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2
  6. MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan 1 Lời cảm ơn 2 Mục lục 3 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ 11 1.1. Lý thuyết về hệ điều khiển số 11 1.1.1. Cấu trúc điển hình của hệ điều khiển số 11 1.1.2. Cở sở của điều khiển số 21 1.1.2.1. Biến đổi Z 21 1.1.2.2 Tín hiệu và lấy mẫu tín hiệu trong hệ điều khiển số 24 1.2. Tổng hợp hệ điều khiển số 27 27 1.2.1. Lý luận chung. 1.2.2. Điều kiện để tổng hợp được bộ điều khiển số trong hệ. 29 1.2.3. Chọn tần số lấy mẫu. 30 1.2.4. Thiết kế bộ điều khiển số theo phương pháp liên tục. 32 1.2.4.1. Phương pháp vi phân 32 1.2.4.2. Bộ điều khiển số được xác định theo hàm truyền đạt 34 1.2.4.3. Phương pháp dùng biến đổi z 36 1.2.4.4. Tổng hợp bộ điều khiển có tính phần tử lưu giữ (ZOH) 37 1.2.5. Thiết kế bộ điều khiển số theo phương pháp trực tiếp 38 1.2.5.1. Phương pháp quỹ đạo nghiệm số trên mặt phẳng z. 38 1.2.5.2. Bù ảnh hưởng của khâu trễ 1.2.5.3. Hệ ổn định vô tận 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3
  7. 1.2.6. Dùng matlab để tổng hợp hệ điều khiển số 41 1.3. Điều khiển số trong điều khiển chuyển động 41 1.3.1. Một số cấu trúc điều chỉnh được sử dụng 41 1.3.2. Thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính 47 49 CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CARD DSP DS1104 2.1. Giới thiệu chung 49 2.2. Cấu trúc phần cứng của DS1104 51 2.2.1. Cấu trúc tổng quan 51 2.2.2. Ghép nối với máy chủ (Host Interface) 53 2.2.3. Các thành phần chủ yếu của DS1104 59 2.2.3.1. Bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240. 59 2.2.3.2. Hệ con AD (Analog to Digital). 65 2.2.3.3. Hệ con DA (Digital to Analog). 67 2.2.3.4. Hệ con Vào/Ra số (Digital I/O) 70 2.2.3.5. Hệ con bộ mã hoá so lệch 73 2.2.3.6. Thanh ghi điều khiển vào ra IOCTL 75 2.2.3.7. Sơ đồ chân I/O Connector của DS1104 76 2.3. Phần mềm dSPACE 78 2.3.1. Cài đặt dSPACE 79 80 2.3.2. Các khối dSPACE trong Simulink 81 2.3.2.1. Các điều khiển vào/ra tương tự 81 2.3.2.2. Các điều khiển vào/ra số 2.4. Một số các tính năng cơ bản của Card DS1104 cho điều khiển 81 chuyển động. 2.4.1. Các điều khiển vị trí Encoder 81 2.4.2. Điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4
  8. 2.5. Tạo ứng dụng với dSPACE và Simulink 88 2.5.1. Tạo ứng dụng với Control Desk 93 2.5.2. Hiển thị các điều khiển, quan sát với Instrumentation 94 Management Tools. CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN 100 ĐỘNG SỬ DỤNG CARD DS 1104 3.1. Tổng hợp hệ điều khiển chuyển động vị trí DC servo(theo phương 100 pháp tương tự) 3.1.1. Mô hình toán học của hệ 100 3.1.2. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí và phương pháp tổng hợp các 104 mạch vòng 3.1.3. Tính toán các thông số hệ điều khiển vị trí và cấu trúc hệ điều 110 khiển vị trí 3.1.4. Mô phỏng hệ trên Matlab 114 3.2.Hệ điều khiển vị trí động cơ DC Servo dùng bộ điều khiển Fuzzy logic 115 ứng dụng Card DS1104 3.3. Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động 121 3.3.1 Giới thiệu các thiết bị trong hệ thống thực 121 3.3.2. Lập trình điều khiển hệ 123 3.3.3. Các đặc tính thực nghiệm hệ điều khiển chuyển động 124 KÊT LUÂN VA KIÊN NGHỊ ́ ̣ ̀ ́ 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5
  9. DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Bảng 2.2. Mô tả thanh ghi trạng thái Bảng 2.3. Mô tả thanh ghi cài đặt Bảng 2.4. Các ngắt cứng của DSP Bảng 2.5. Quản lý các ngát cứng Bảng 2.6. Các địa chỉ thanh ghi của hệ con AD Bảng 2.7. Các địa chỉ thanh ghi của hệ con DA Bảng 2.8. Mô tả thanh ghi chế độ DA Bảng 2.9. Thanh ghi cổng vào/ra Bảng 2.10. Tên các chân của DS1104 trên P1A Bảng 2.11. Tên các chân của DS1104 trên P1B Bảng 2.12. Bảng mô tả các chân của DS1104 Bảng 2.13.Các điều khiển vị trí encoder của DS1104 Bảng 2.14. Tên các chân của các kênh phhát xung Bảng 2.15. Tên các xung PWM 3 pha Bảng 2.16.Tên của các kênh phát xung PWM 3 pha Bảng 2.17. Tên các xung PWM 3 pha vector Bảng 2.18.Tên của các kênh phát xung PWM 3vector Bảng 3.1. Các thông số cho trước Bảng 3.2. Luật điều khiển Hình 1.1. Cấu trúc hệ điều khiển số Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi số - tương tự trong hệ điều khiển số Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý bộ DAC Hình 1.4. Tín hiệu ra của bộ DAC Hình 1.5. Bộ biến đổi DAC với mạng điện trở Hình 1.6. Bộ biến đổi DAC dùng mạng điện trở R và 2R Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi A/D Hình 1.8. Sơ đồ chuyển đổi A/D song song Hình 1.9. Sơ đồ chuyển đổi A/D theo phương pháp bù Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6
  10. Hình 1.10. Bộ biến đổi A /D theo nguyên tắc servo Hình 1.11 : Hàm thời gian Hình 1.12. Tín hiệu liên tục Hình 1.13.Tín hiệu rời rạc Hình1.14:Bộ cắt mẫu Hình 1.15: Mối quan hệ quá trình gián đoạn và liên tục Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 1.18 Hình 1.19 Hình 1.20 Hình 1.21 Hình 1.22 Hình 1.23 Hình 1.24 Hình 1.25 Hình 1.26. Cấu trúc cơ bản của điều chỉnh tốc độ quay Hình 1.27. Cấu trúc tối giản phục vụ thiết kế xấp xỉ Hình 1.28. Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc Hình 1.29. Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc tối giản Hình 1.30. Cấu trúc điều chỉnh bù sai số giá trị đặt Hình1.31. Cấu trúc điều chỉnh bù nhiễu Hình1.32. Cấu trúc điều chỉnh bù ngược Hình 1.33. Cấu trúc điều chỉnh bù xuôi bằng phương pháp mô hình Hình1.34. Các giai đoạn của một quá trình chuyển động Hình 1.35. Cấu trúc điều khiển tổng quát của một nhánh truyền động Hình 1.36.Các luật thông dụng nhằm điều khiển chính xác chuyển động Hình 1.37. Trình tự thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính Hình 2.1- Card DS1104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7
  11. Hình 2.2. Sơ đồ khối của DS1104 Hình 2.3. Vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240 Hình 2.4.Bản đồ bộ nhớ của DSP Hình 2.5.Bản đồ bộ nhớ ngoại vi của DSP TMS320F240 Hình 2.6. Sơ đồ khối của hệ con AD Hình 2.7. Định dạng dữ liệu của ADC 16-bit Hình 2.8. Định dạng dữ liệu của ADC 12-bit Hình 2.9. Mạch đầu vào của ADC Hình 2.10. Sơ đồ khối của hệ con DA Hình 2.11. Định dạng dữ liệu của DAC 12-bit Hình 2.12. Định dạng dữ liệu ở chế độ DA Hình 2.13. Mạch đầu ra của DAC Hình 2.14. Sơ đồ cấu trúc của giao diện encoder so lệch Hình 2.15. Mạch đầu vào của encoder Hình 2.18. Tạo nguồn 1,5V từ nguồn 5V Hình 2.16. Định dạng của thanh ghi IOCTL khi đọc Hình 2.17. Định dạng của thanh ghi IOCTL kh i ghi Hình 2.18. Các khối của DS1104 Master PPC Hình 2.19. Các khối trong thư viện của DS1104 Hình 2.20. Tín hiệu encoder và giới hạn đếm Hình 2.21. Tín hiệu PWM của Card DS1104 Hình 2.22. Tín hiệu PWM ở chế độ đối xứng Hình 2.23. Tín hiệu PWM ở chế độ không đối xứng Hình 2.24. Điều chế xung PWM của Card DS1104 Hình 2.25. Điều chế vector không gian Hình 2.26. Các vector SPWM1, SPWM3, SPWM5 của DS1104 Hình 2.27. Lưu đồ thuật toán thực hiện một ứng dụng với Simulink và Control Desk: (a)- Bước 1; (b)- Bước 2 Hình 2.28. Ví dụ minh hoạ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8
  12. Hình 2.29. Thay đổi tham số khối Transfer Fcn Hình 2.30. Kết quả mô phỏng Hình 2.31. Cấu trúc điều khiển trên Matlab Simulink Hình 2.32. Downloading and Building Hình 2.33. Giao diện Control Desk Hình 2.34. Cửa sổ New Experiment Hình 2.35. Thẻ Variable Manager và các biến mô phỏng Hình 2.36. Cửa sổ New Layout Hình 2.37. Chọn Slider và vẽ hình chữ nhật trong Layout1 Hình 2.38. Thay đổi tham số của Slider Hình 2.9. Điều khiển Slider sau khi gán biến cần điều khiển Hình 2.40. Vẽ một Plotter để quan sát tín hiệu Hình 2.41.Thiết lập đặc tính cho đồ thị Hình 2.42. Thiết lập thông số quan sát Hình 2.43. Điều khiển sự thực thi của DSP (a) và điều khiển Animation (b) Hình 3.1.Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều chỉnh vị trí Hình 3.2. Sơ đồ mạch thay thế động cơ một chiều Hình 3.3. Sơ đồ mạch thay thế mạch điện phần ứng Hình 3.4. Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một Hình 3.5. Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một Hình 3.6. Mô hình tuyến tính hoá mô phỏng động cơ một chiều kích từ độc lập Hình 3.7. Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển Hình 3.8. Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện Hình 3.9 Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí. Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí trong matlab Simulink Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9
  13. Hình 3.15. Đặc tính mô phỏng hệ điều khiển chuyển động Hình 3.16. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí với Card DS1104 Hình 3.17 Cấu trúc điều khiển mờ vị trí với Card DS1104 Hình 3.18. Hệ điều khiển mờ vị trí với Card DS1104 Hình 3.19. Hàm liên thuộc của biến sai lệch vị trí Hình 3.20. Hàm liên thuộc của biến thay đổi sai sốvị trí Hình 3.21. Hàm liên thuộc của tín hiệu điều khiển Hình 3.22. Surface luật điều khiển mờ Hình 3.23. Vi phân sai lệch vị trí Hình 3.24. Sai lệch vị trí Hình 3.25. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển mờ Hình 3.26. Mô phỏng luật điều khiển mờ Hình 3.27.Cấu trúc hệ thống thực nghiệm Hình 3.28.Card DS1104 trong hệ thực nghiệm Hình 3.29. Driver DC servo motor Hình 3.30.DC servo motor Hình 3.31. Chọn thời gian lấy mẫu cho hệ Hình 3.32. Chọn thời gian lấy mẫu cho hệ Hình 3.33. Màn hình ControlDesk với hệ thực nghiệm Hình 3.34.Chương trình điều khiển hệ thống thưc nghiệm Hình 3.35. Chương trình điều khiển hệ thống thưc nghiệm dùng bộ điều khiển mờ Bảng 2.1. Dung lượng các bộ nhớ của DS1104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 0 1
  14. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1. Lý thuyết về hệ điều khiển số. 1.1.1. Cấu trúc điển hình của hệ điều khiển số. Ngày nay với những thành tựu nổi bật trong công nghệ máy tính, chúng ta có thể thực hiện các bộ điều khiển số bằng máy tính để thay thế các bộ điều khiển truyền thống. Do vậy điều khiển số liên quan tới thuật toán điều khiển trong thiết bị điều khiển số, cụ thể là Card số và máy tính số. Chúng ta có thể tận dụng sự tiến bộ trong điều khiển logic và sự linh hoạt và mềm dẻo của điều khiển số thay vì việc thực hiện các bộ điều khiển tương tự truyền thống. Mặt khác chúng ta cũng cần sự giao diện kết nối giữa đối tượng điều khiển và máy tính. Cụ thể như: - các phép đo được thực hiện tại các thời điểm rời rạc - các dữ liệu cũng phải được rời rạc hoá để cho phép xử lý dữ liệu số Mặt khác các bộ điều khiển số có thể xử lý được dữ liệu rời rạc theo không gian và thời gian. Cách rời rạc hoá thường được thực hiện bằng cách lấy mẫu và sau đó là lượng tử hoá. Với hai đặc điểm này khiến hệ thống điều khiển số khác hẳn với các hệ thống thống điều khiển tuyến tính thông thường và hệ thống điều khiển thời gian bất biến. Đối tượng Chương trình điều khiển Máy tính số Hình 1.1: Cấu trúc hệ điều khiển số a. Bộ chuyển đổi số-tƣơng tự (D/A converter). Bộ chuyển đổi số-tương tự biển đổi một chuỗi các đại lượng u(kT) thành tín hiệu liên tục u(t) để điều khiển hệ thống. Bộ chuyển đổi D/A được mô phỏng bởi bộ lưu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11
  15. giữ, nhận ở thời điểm kT xung có biên độ tỷ lệ với trị số u(kT) có độ rộng rất bé so với T (tín hiệu lấy mẫu) và duy trì hằng số ấy suốt cả chu kì T. Như vậy đáp ứng với một chuỗi xung là một chuỗi bậc thang có độ dài T. Quá trình biến đổi này là tức thời và không có trễ. Bộ lưu giữ bậc không ở đây tương ứng với cơ cấu định hình với xung chữ nhật, hệ số lấp đầy =1. Những bộ lưu giữ bậc cao tạo nên những dạng sóng phức tạp hơn nhưng độ chính xác cao hơn. Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi số - tương tự trong hệ điều khiển số Nguyên tắc làm việc của DAC Chuyển đổi số tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu từ n số hạng (n bits) đã biết của tín hiệu số. Bộ chuyển đổi số tương tự (DAC) tiếp nhận một mã số n bits song song ở đầu vào và biến đổi thành tín hiệu liên tục ở đầu ra. Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý bộ DAC Hình 1.4- Tín hiệu ra của bộ DAC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12
  16. Tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp. Đầu ra của bộ lọc là tín hiệu tương tự UA biến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của Um. Vậy bộ lọc thông thấp đóng vai trò là bộ nội suy. Các đặc tính quan trọng của DAC - Độ phân giải: liên quan đến số bit của một DAC. Nếu số bit là m thì số trạng thái n n tín hiệu của số nhị phân đưa vào là 2 và tín hiệu ra sẽ có 2 mức khác nhau, do đó n độ phân giải là 1/ 2 . Độ phân giải càng bé thì tín hiệu đầu ra có dạng liên tục gần với thực tế. - Độ tuyến tính: Trong một DAC lý tưởng sự tăng tín hiệu số ở đầu vào sẽ tỷ lệ với sự tăng tín hiệu số ở đầu ra. - Độ chính xác của một DAC cho biết sự khác biệt giữa trị số thực tế của U A và trị số lý thuyết cho bởi một giá trị bất kỳ của tín hiệu số ở đầu vào. Sự sai khác này càng nhỏ thì độ chính xác càng cao. - Thời gian thiết lập: Khi tín hiệu số ở đầu vào của một DAC thay đổi, tín hiệu ở đầu ra không thể thay đổi ngay lập tức mà phải sau một khoả ng thời gian nào đó gọi là thời gian thiết lập. Thời gian thiết lập phản ánh tính tác động nhanh của một DAC. Một số mạch DAC điển hình Biến đổi DAC với mạng điện trở trọng lƣợng Mạch gồm một nguồn điện áp chuẩn Uch, các bộ chuyển mạch và điện trở có giá trị R, R/2, R/4... và một mạch khuếch đại thuật toán. Khi một khoá điện nào đó được nối với nguồn điện thế chuẩn thì sẽ Hình 1.5. Bộ biến đổi DAC với mạng điện trở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13
  17. cung cấp cho bộ khuếch đại thuật toán dòng điện cường độ là: Uch (i=0…n-1) Ii = R.2i Cường độ dòng điện này độc lập với các khóa còn lại, có thể thấy ngay bằng biên độ điện áp Ura phụ thuộc vào chỗ khoá nào được nối với Uch tức là phụ thuộc vào giá trị của bit tương ứng trong tín hiệu số đưa vào mạch chuyển đổi. Mạch có ưu điểm là đơn giản, nhưng nhược điểm là độ chính xác và tính ổn định của kết quả phụ thuộc nhiều vào trị số của các điện trở và khả năng biến thiên nh ư nhau theo môi trường của các điện trở này. Chế tạo các điện trở theo đúng tỉ lệ chính xác như vậy thường khó khăn và tốn kém. Ngoài ra Ura còn phụ thuộc vào cả độ chính xác và tính ổn định của nguồn điện áp chuẩn. Bộ biển đổi D /A dùng mạng điện trở R và 2R Hình 1.6. Bộ biến đổi DAC dùng mạng điện trở R và 2R DAC với thang điện trở R - 2R khắc phục được một số nhược điểm của DAC mạng điện trở trọng lượng. Mạch chỉ gồm hai loại điện trở R và 2R với nhiều chuyển mạch (mỗi chuyển mạch cho 1 bitm) và một nguồn điện áp chuẩn Uch. Đại lượng cần tìm là Ith vào mạch khuếch đại khi có một số chuyển mạch nối với Uch. Lúc đó ta có: Ura=-Ith.Rf Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14
  18. Xét tại chuyển mạch tương ứng với bit thứ i, nút tương ứng trên mạch là nút 2i. Khi bộ chuyển đổi đóng vào Uch thì điện thế tương đương tại nút 2i sẽ là Uch/ 2 và nguồn tương đương có nội trở là R (theo định lý Thevenin). Như vậy tại nút 2i+1 ta có nguồn tương đương trị số là Uch/ 4 và nội trở là R. Từ những kết quả trên ta suy ra rằng khi di chuyển về phía mạch khuếch đại thuật toán điện thế tại mỗi nút bằng nửa trị số của nút kế cận bên trái nó. Nh ư vậy nếu từ nút thứ 2i đến nút 2n-2 có k nút (kể cả nút thứ 2n-2) thì điện thế tại nút 2n-2 do chuyển mạch 2i gây ra là Uch/ 2k và dòng điện t-ơng ứng là Uch/(2k.2R). Tại nút 2n-1 do đặc tính của khuếch đại thuật toán mà điện thế tại đây được coi là 0V. Tóm lại, một cách tổng quát ta có công thức để tính điện áp ra của một DAC n bit (từ B0 ữ Bn-1) với mạng điện trở R - 2R.  2n-1Bn-i +2n-2Bn-2 +...+20B0  Rf Ura =-Uch n 2R Trong đó B0 ữ Bn-1 có giá trị 0 hoặc 1. Các DAC theo phương pháp này phải dùng số điện trở khá lớn, ví dụ nh ư DAC n bit thì phải dùng 2 (n-1) điện trở, trong khi theo phương pháp điện trở trọng lượng chỉ phải dùng n điện trở. Nhưng bù lại nó không rắc rối vì chỉ cần dùng có 2 loại điện trở mà thôi. Nên độ chính xác và tính ổn định của tín hiệu ra đ ược đảm bảo. b. Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (A/D Converter) Quá trình chuyển đổi tương tự - số không thể tức thời, cần có thời gian trễ để biến đổi tín hiệu tương tự là một đại lượng vật lý (điện áp) ở đầu vào thành tín hiệu số ở đầu ra. Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi A/D Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15
  19. Bộ chuyển đổi A/D có ba chức năng: lấy mẫu (lượng tử hoá theo thời gian), lượng tử hoá theo mức và mã hoá (hệ nhị phân). Nguyên lý làm việc của ADC được minh hoạ trên sơ đồ khối. Tín hiệu tương tự UA được đưa đến mạch lấy mẫu, mạch này có hai nhiệm vụ: • Lấy mẫu những tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều. Thực chất đây là quá trình rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian. • Giữ cho biên độ tín hiệu tại các thời điểm lấy mẫu không thay đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo (quá trình lượng tử hoá và mã hoáq). Quá trình lượng tử hoá thực chất là quá trình làm tròn số. Lượng tử hoá được thực hiện theo nguyên tắc so sánh tín hiệu cần chuyển với các tín hiệu chuẩn. Mạch lượng tử hoá làm nhiệm vụ rời rạc tín hiệu tương tự về mặt biên độ. Trong mạch mã hoá, kết quả lượng tử hoá được sắp xếp lai theo một quy luật nhất định phụ thuộc loại mã yêu cầu ở đầu ra bộ chuyển đổi. Nhiều loại ADC, quá trình lượng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thời, lúc đó không thể tách rời hai quá trình, phép l ượng tử hoá và mã hoá được gọi chung là phép biến đổi AD. Các tham số cơ bản của ADC Các tham số cơ bản của bộ biến đổi ADC gồm dải biến đổi củ a điện áp tương tự ở đầu vào, độ chính xác của bộ chuyển đổi, tốc độ chuyển đổi. - Dải biến đổi của điện áp tín hiệu t ương tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà số từ 0 đến một số dương hoặc số âm nào đó, hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính: -UAUA. - Độ chính xác của ADC: Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của ADC là độ phân giải. Tín hiệu ở đầu ra của một ADC là các giá trị được sắp xếp theo một quy luật của một loại mã nào đó. Số các số hạng của mã số đầu ra (số b its trong từ mã nhị phâns) tương ứng với giải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi. Ví dụ một ADC có số bits ở đầu ra là n = 8 thì sẽ phân biệt được 28 mức trong dải biến đổi điện áp vào của nó. Như vậy trong thực tế dùng số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16
  20. bits để đánh giá độ chính xác của một ADC khi giải biến đổi điện áp vào là không đổi. Liên quan đến độ chính xác của một ADC còn có các tham số khác nh ư: méo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không, sai số lượng tử hoá. - Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, được gọi là tần số chuyển đổi fc. Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi Tc để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi. Với một ADC th ường thì fc < 1/Tc vì giữa các lần chuyển đổi phải có một thời gian cần thiết để ADC phục hồi lại trạng thái ban đầu. Một ADC có tốc độ chuyển đổi cao thì độ chính xác giảm và ngược lại. Các phƣơng pháp chuyển đổi tƣơng tự - số : Có nhiều cách phân loại ADC, nhưng hay dùng hơn cả là phân loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian. Trong đồ án này chỉ giới thiệu một số phương pháp điển hình. Chuyển đổi A /D theo phƣơng pháp song song Nguyªn t¾c ho¹t ®éng. :Tín hiệu tương tự UA được đồng thời đưa đến các bộ so sánh từ S1 đến Sm. Điện áp chuẩn U ch được đưa đến đầu vào thứ 2 của các bộ so sánh qua thang điện trở R. Do đó các điện áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ S1 đến Sm. Đầu ra của các bộ so sánh có điện áp lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở có mức logic "1", các đầu ra còn lại có mức logic "0". Các đầu ra của mạch so sánh đ ược nối với mạch AND, một đầu mạch AND được nối với mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung nhịp đưa đến đầu vào AND thì các xung trên đầu ra của bộ so sánh mới đưa vào mạch nhớ Flip_Flop (FF). Như vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng chu kỳ xung nhịp lại có một tín hiệu được biến đổi và đưa đến đầu ra. Xung nhịp đảm bảo quá trình so sánh kết thúc mới đưa xung nhịp vào bộ nhớ. Bộ mã hoá sẽ biến đổi tín hiệu và dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân. Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh nên được gọi là ADC nhanh nhưng kết cấu của mạch rất phức tạp ví dụ như ADC n bits cần phải dùng 2n-1 bộ so sánh. Vì vậy phương pháp này chủ yếu dùng trong các ADC có tốc độ chuyển đổi cao nhưng số bit nhỏ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản