Đo lực và ứng suất

Trang 1
LỜI GIỚI THIỆU
Ngày nay việc đo lường và điều khiển được ứng dụng trong sản xuất
công nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm rất hữu dụng. Lợi dụng việc đo
ứng suất biến dạng từ đó mà ta có thể xác định được những thông số vật lý cơ
học khác như: độ võng tĩnh, moment, lực tác dụng, …
Hiện nay đã có những máy đo như loại dùng đồng hồ chỉ thị số P3500
được thực hiện tại phòng thí nghiệm. Khi khoa học công nghệ thông tin đã và
đang phát triển thì máy vi tính bắt đầu thay thế các thiết bị đo lường thông
thường mà cho ta kết quả nhanh và chính xác. Các thiết bị, hệ thống đo lường
và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập số
liệu ngắn nhưng điều đáng quan tâm hơn là mức độ tự động hóa trong việc thu
thập và xử lý các kết quả đó.
Tuy nhiên để hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính hoạt
động được thì ngồi phần mạch điện khuếch đại và chuyển đổi AD thì cần có
chương trình được nạp vào máy tính để xử lý kết quả.
Bài luận văn này cũng là một đề tài xử lý tín hiện điện tử bộ cảm biến
cho phép máy tính có thể giao tiếp thông qua cổng máy in.
Trang 2
PHẦN A
DẪN NHẬP
Trang 3
I. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Để hiểu được và làm chủ được các hiện tượng vật lý hóa học, y, sinh
học trong đời sống chúng ta, đòi hỏi chúng ta phải có phương pháp đo và thiết
bị đo lường sẽ giúp chúng ta đạt được mục đích này.
Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ điện tử và công nghệ thông
tin chúng ta có thêm các thiết bị đo lường điện tử ngày càng chính xác hơn, sử
dụng thuận lợi hơn, hoạt động ở chế độ tự động hóa hồn tồn. Để phục vụ cho
việc tự động hóa trong công nghiệp, chúng ta phải đề cập đến các phương pháp
và cảm biến đo các đại lượng không điện.

Ví dụ như: lực, áp suất, nhiệt độ v.v Từ những đại lượng không điện
này được cảm biến chuyển đổi thành đại lượng điện rồi xử lý tín hiệu bằng
những mạch điện tử.
Với mục đích là xác định độ biến dạng, ứng suất khi tác dụng một lực vào
một đầu của một dầm ngang. Tức là đặt một vật có khối lượng vào đầu dầm,
trên dầm có gắn Strain Gage (miếng đo biến dạng) mà từ đó ta có thể xác định
được khối lượng mà vật đặt vào. Thông qua đại lượng trung gian này mà ta có
thể xác định được: độ biến dạng ứng suất, độ võng và đề tài này sẽ được tìm
hiểu kỹ về cách thức xác định được các đại lượng này.
Với đề tài “ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT” này có thể dùng làm thiết bị đo
lường ở phòng thí nghiệm. Do đó nhiệm vụ chủ yếu là phải hiển thị được kết
quả với sai số càng nhỏ càng tốt.
II. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI:
Đo lực và ứng suất bằng máy tính. Nhờ sự trợ giúp của máy tính cộng với
phần mềm Pascal cho phép người lập trình có thể hiển thị kết quả dưới nhiều
hình thức khác nhau (hiển thị chế độ văn bản, ở chế độ đồ thị).
Với thời gian ngắn chỉ có 10 tuần mà có nhiều vấn đề cần giải quyết, hơn
nữa kiến thức về lập trình có giới hạn. Do đó trong khoảng thời gian đó, nhóm
sinh viên thực hiện tập trung vào giải quyết những vấn đề sau:
- Thiết kế phần cứng.
- Viết chương trình xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến để hiển thị kết
quả trên màn hình.
III. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC THI ĐỀ TÀI:
Với những yêu cầu đó ta có thể đưa ra phương pháp để thực thi đề tài như
sau:
• Sử dụng kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển.
• Dùng máy tính để xử lý.
Với kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển nếu dùng led 7 đoạn để hiển thị 1
loạt các thông số: lực, ứng suất, biến dạng thì sẽ trở nên gặp khó khăn và hiển
thị dưới đồ thị sẽ không thực hiện được. Do đó ở đây nhóm sinh viên thực hiện

chọn máy tính để xử lý thông qua cổng máy in. Sở dĩ chọn phương pháp này có
ưu điểm là:
- Có thể hiện thị cùng một lúc các thông số và đồ thị.
- Tính tốn và lập trình trên phần mềm Pascal so với xử lý và vi
điều khiển.
Trang 4
Trang 5
CHƯƠNG I
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG
I. KHÁI NIỆM VỀ BIẾN DẠNG:
Khi đặt một lực vào vật thể, vật thể bị thay đổi hình dạng. Trong trường
hợp tổng quát, sự thay đổi này gọi là biến dạng. Ở đây chúng ta hiểu biến dạng
như là sự thay đổi hình dạng trên 1 đơn vị dài hay là độ thay đổi chiều dài
tương đối.
II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG:
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đầu dò, đặc biệt từ
những năm 1970, người ta đã chế tạo ra rất nhiều dụng cụ đo biến dạng dựa
trên các nguyên lý cơ khí, quang, điện âm thanh và nguyên lý khí nén Tuy
nhiên không có một nguyên lý nào có thể thỏa mãn mọi yêu cầu kỹ thuật đặt ra.
Do đó có rất nhiều hệ thống đo khác nhau để đáp ứng mọi yêu cầu đo trong
phạm vi giải quyết những vấn đề khác nhau, sau đây là các phương pháp đo:
1. Phương pháp cơ khí:
Phương pháp cơ khí đo biến dạng ngày nay ít được sử dụng, bởi vì đo
biến dạng bằng điện trở chính xác hơn và dễ sử dụng. Tuy nhiên, dụng cụ đo cơ
khí được gọi là Extensometer vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong hệ thống
kiểm tra vật liệu.
2. Phương pháp âm thanh:
Phương pháp âm thanh đo biến dạng hiện nay hầu hết được thay đổi bằng
phương pháp đo điện. Phương pháp đo biến dạng bằng âm thanh có nét độc đáo
riêng, ổn định không mất độ chính xác theo thời gian. Phương pháp đo biến

dạng bằng âm thanh vẫn được sử dụng dựa trên nguyên lý do ông R.S.Jerrett
sáng chế vào năm 1944.
3. Phương pháp biến dạng bằng điện trở:
Phương pháp đo biến dạng bằng điện trở này được xem là hồn hảo nhất,
chỉ trừ một số trường hợp đạêc biệt phương pháp này không sử dụng được.
Phương pháp này được xem là phổ biến nhất hiện nay dựa trên nguyên lý do
ông Kelvin phát hiện năm 1856.
4. Phương pháp đo biến dạng bằng chất bán dẫn:
Ưu điểm có độ nhạy cao nhưng giá thành lại cao. Phạm vi đo chịu ảnh
hưởng nhiều về yếu tố nhiệt độ. Phương pháp này dùng để đo biến dạng rất nhỏ
vì nó cực nhạy (với điều kiện nhiệt độ ổn định) song rất ít sử dụng.
5. Phương pháp đo biến dạng bằng phương pháp lưới:
Phương pháp này có từ lâu đời, đặt lưới lên mẫu thử chụp hình trước và
sau khi đạt tải trọng, lưới sẽ bị biến dạng. Phương pháp này có điểm khó khăn
là các biến dạng thường nhỏ do đó hầu hết các trường hợp sự dịch chuyển các
Trang 6
mắt lưới không bảo đảm tính chính xác. Để sử dụng phương pháp biến dạng đủ
lớn (cho chất dẻo cao su) rất hiệu quả.
6. Phương pháp tạo mẫu Hickson (phương pháp lưới):
Đặt tờ giấy nhám lên vật mẫu kéo theo 2 phương để tạo vết trầy. Để đo
biến dạng trên mẫu thử rất khó nên người ta lấy tấm hợp kim mỏng dán lên chỗ
trầy, để in lên tấm phim đó, thay vì đo vật mẫu người ta đo vết trầy lên tấm
phim.
Trong suốt 50 năm qua phương pháp đo biến dạng bằng điện trở đã được
sử dụng rộng rãi vì sự đơn giản cũng như kết quả đáng tin cậy của chúng.
Do đó trong đề tài này nhóm sinh viên thực hiện đo biến dạng bằng điện trở.
III. ĐO BIẾN DẠNG BẰNG STRAIN GAGE:
Miếng đo biến dạng (strain - gage) là một cấu kiện điện trở được dùng để
dán lên một bộ phận biến dạng. Mức biến dạng của bộ phận thông qua lớp keo
được truyền sang miếng đo. Miếng đo như vậy phải chịu một sự biến động tỷ lệ

với điện trở của nó.
Strain Gage (SG-miếng đo biến dạng) là một trong những công cụ quan
trọng của kỹ thuật đo lường điện tử được áp dụng đo các đại lượng cơ học.
Đúng như tên gọi, nó được sử dụng để đo biến dạng. Biến dạng của một vật thể
được gây ra bởi tác nhân bên ngồi hoặc bên trong, làm sinh ra ứng suất. Do vậy
trong phân tích ứng suất thực nghiệm người ta sử dụng rộng rãi phương pháp
xác định biến dạng.
Các thiết bị biến dạng cho đến nay đã được nhiều hãng chế tạo như:
Hottinger Baldwin, Messttechnik, Micromesures Vishay
Strain Gage được tạo ra với 2 kết cấu là lưới phẳng và dạng ống trụ.
a. Dạng lưới phẳng b. Dạng ống trụ
W i n d i n g C o r d
Trang 7
1. H s ming o (Gage factor):
S thay i in tr ca mt cu kin cú in tr bin i c tựy thuc
vo quan h sau:
Vi R: l in tr ban u ca cu kin.

L: chiu di ban u ca cu kin.
F : h s ming o.
Mt ming o lý tng phi cú mt in tr rt ln, mt h s o cc
i v mt mc gii hn n hi cao, ng thi li khụng b nh hng nhit
cao tỏc ng. Thờm vo ú, h s ming o luụn luụn bt bin cho dự mc
bin dng cú ln n õu i chng na.
ming o cú th hot ng mt cỏch thớch hp theo sc cng cng
nh sc nộn, si in tr phi cng mng cho lp keo cú th truyn hn tn
mc bin dng ca b phn sang ming o.
2. Cht keo dỏn:
a) Keo cyanoacrylate: Rt thc dng cho vic ỏp dng bỡnh thng
trong thi gian ngn, nhit ỏp dng di 100

0
C. S khụ cng trong vi
giõy di tỏc dng ca sc ộp.
b) Keo epoxy: Rt cú hiu qu, n nh trong thi gian lõu vi nhit
n 300
o
c.
c) Keo gm: Khú ỏp dng hn vỡ cn thit b t bit cú v mong
manh yu t, khụng cho phộp dựng vi nhng bin dng ln.,s dng c
n 600
o
c.
d) Hn: õy l cỏch thc thc t nht dựng nhit cao cho
cỏc ming o trong v bc kim loi rt c.
Cn chỳ ý l b mt dỏn phi c ty sch du m v sau ú c
trung hũa bng húa cht. to ra b mt cú tớnh cht lý tng i vi loi keo
ny, b mt phi c lm sch vt r to ra b mt nhn nhng khụng quỏ
búng.
IV. MCH CU WHEATSTONE:
Cu Wheatstone l mch cu c chn nhiu nht trong vic o nhng
bin dng in tr nh (ti a 10%) nh trong vic dựng cỏc ming o bin
dng.
1. Nguyờn lý:
E.F
L
L
F
R
R
=

=

trụỷ ủieọn ủoồi bieỏnủoọ:
R
R
Trang 8
i cu Wheatstone ca hỡnh 1:
Tớn hiu u ra E
m
qua thit b o vi tr khỏng Z
m
:
R: in tr danh ngha ban u ca cỏc in tr R
1
, R
2
, R
3
& R
4
(thng l
120 nhng l 350 cho cỏc b bin cm).
V: in ỏp cung cp cho cu.
in ỏp cung cp cho cu l mt ngun nng lng cung cp tht n
nh.
Phn ln Z
m
ln hn R rt nhiu (vớ d nh:Vụn k, b khuch i vi liờn kt
trc tip) do ú thỡ phng trỡnh (1) tr thnh:

T (2) cú nhn xột l: s thay i n v in tr ca 2 in tr nghch
nhau. c tớnh ny ca cu Wheatstone thng c dựng bo m tớnh n
nh nhit ca mch o v cng dựng cho cỏc thit k c bit.
2. Cõn bng ban u:
trụỷ. ủieọn cuỷa vũ ủụn ủoồi Bieỏn:
(1)
4
4
3
3
2
2
1
1
14
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
Zm
R
V
Em

+









+
=
( )
2
4
4
3
3
2
2
1

1
4









+



=
R
R
R
R
R
R
R
RV
Em
m
E
Z m
m
H ỡ n h 1 : M a ùc h c a u W h e a t s t o n e

R 1
R 2
R 4
R 3
V
M a ùc h c a u c a õn b a ốn g b a n ủ a u
E m
R 1
R 2
R 3
R 4
V
R a
R b
Trang 9
Trước khi bắt đầu việc thử nghiệm, điều quan trọng là nên nhớ đem tất cả
các số ghi trên thiết bị trở lại số không. Điều này sẽ làm đơn giản cho việc thể
hiện đo đạc và cho phép dùng thiết bị tốt hơn. Hình trên cho thấy một phương
pháp thường dùng để đảm bảo cho việc cân bằng ban đầu. R
a
là điện trở cố
định, R
b
là một thế kế nhiều vòng. Trong phần lớn thường sử dụng R
a
=20kΩ,
R
b
=40kΩ đủ thích hợp cho việc cân bằng.
Trong trường hợp của các bộ biến cảm, việc cân bằng có thể thực hiện

trực tiếp lên bộ cảm biến bằng cách thêm những điện trở vào mạch các miếng
đo.
3. Các đặc tính của cầu:
a) Bù nhiệt:
Phần lớn các miếng đo biến dạng hiện nay đều có khả năng tự động cân
bằng. Thí dụ, một miếng đo được cân bằng cho phép về lý thuyết sẽ không cho
thấy sự thay đổi điện trở nào khi miếng thép mà miếng đo được dán lên sẽ giãn
nở khi nhiệt độ thay đổi. Đặc tính tự cân bằng này có được là nhờ việc xử lý
nhiệt áp dụng cho kim loại dùng để chế tạo ra miếng đo. Cách xử lý nhiệt này
chỉ có hiệu quả trong một tầm nhiệt độ giới hạn nào đó.
Bằng cách dùng cầu Wheatstone ta cũng có thể chế tạo mạch cân bằng
nhiệt độ. Như đã biết, sự thay đổi nhiệt độ của 2 nhánh cầu kề nhau sẽ tự triệt
tiêu nên miếng đo cân bằng D được nối vào mạch cầu Wheatstone với miếng
đo hữu công A.
(xem hình vẽ).
Trang 10

Mch cõn bng nhit .
Ming o D cng cú cựng tớnh cht nh ming o A v cng c dỏn lờn
khi vt liu; trong khi dỏn cỏc ming o, khi vt liu th nghim ny khụng
b chu mt lc tỏc ng no. Ngi ra 2 ming o A&D nờn c t gn vi
nhau cng tt; tt c s thay i nhit chung c hai ming o ny s c
trit tiờu v nú s t cõn bng nhit .
b) S kt hp cỏc ming o:
Cu Wheatstone cho phộp kt hp nhiu ming o hu cụng. Hỡnh trờn cho
thy bn ming o c dỏn lờn thanh mu. Khi thanh mu b kộo ra khi bi
lc P, nhng bin dng tng t s l:
: h s Poisson.
A: tit din ngang.
E: Modun n hi.

Bn ming o nh vy to thnh cu Wheatstone nờn in ỏp u ra s l:
( )
[ ]
.12

+==
KEmE
2)&1 thửực bieồucaực laùi(xem
4
VF
K
=


. Vaứ
.
42
21
==
===
EA
P


R 3
R 4
R 2
R 1
E
V

D
A
Active
Dumm
R3
R4
R2
R1
V
Trang 11
Độ uốn của thanh mẫu sẽ được cầu Wheatstone cảm nhận vì các miếng
đo 1 và 3 ( cũng như 2&4) sẽ cộng các biến dạng có dấu nghịch với nhau và
như thế sẽ tự triệt tiêu theo nhiệt độ. Đây là nguyên lý được dùng thường xuyên
trong việc thiết kế các bộ cảm biến.
Trang 12
CHƯƠNG II
KHẢO SÁT CỔNG MÁY IN
BỘ ADC 12 BIT & VÀ CÁC LINH KIỆN CÓ LIÊN QUAN
Giao tiếp với máy tính là việc trao đổi dữ liệu giữa máy tính với một hay
nhiều thiết bị ngoại vi. Hai thiết bị ngoại vi quen thuộc của máy tính là bàn
phím và màn hình. Ngồi ra máy tính còn được bố trí thêm các đường giao tiếp
đa năng khác nhau: giao tiếp nối tiếp (thông qua cổng COM), giao tiếp song
song (cổng LPT) giao tiếp qua khe cắm (SLOT).
Ghép nối nối tiếp cho phép trao đổi thông tin giữa các thiết bị với nhau
theo từng bit một. Số liệu thường được gởi theo từng nhóm bit SDU (Serial
Data Unit) mà nó tạo thành một byte hay một từ Các thiết bị ngoại vi như
Plotter, modem, mouse và printer có thể được ghép nối với PC qua cổng nối
tiếp COM. Các ghép nối của PC cho trao đổi nối tiếp đều theo tiêu chuẩn
RS232C của EIA hoặc CCITT ở châu Aâu. Về mặt kinh tế việc trao đổi thông
tin qua cổng nối tiếp là ít tốn kém nhưng về mặt kỹ thuật thì khá phức tạp.

Giao tiếp qua khe cắm SLOT cũng phức tạp không kém đòi hỏi việc gia
công thiết bị phải chính xác, hơn nữa việc tháo vỏ máy để gắn SLOT Card sau
mỗi lần đo là vấn đề khó chấp nhận.
Giao tiếp qua cổng song song, dữ liệu truyền song song vì vậy tốc độ
truyền song song thường cao hơn truyền nối tiếp (khoảng từ 40kB/s đến
1MB/s). Hầu hết các máy tính đều trang bị cổng này. Việc trao đổi thông tin
một cách dễ dàng.
I. KHẢO SÁT CỔNG MÁY IN:
Cổng này để dùng giao tiếp với máy in. Đầu cắm có 25 chân và còn gọi là
DB25. Bên trong có 3 thanh ghi có thể truyền số liệu và điều khiển máy in, mỗi
thanh ghi 8 bit. Ba thanh ghi gồm:
• Thanh ghi dữ liệu (Data register):
Có địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản của máy in=378H.
• Thanh ghi trạng thái (Status register).(chỉ đọc):
D 7 D 6
D 5 D 4
D 3
D 2 D 1 D 0
D 0
D 1
D 2
D 3
D 4
D 5
D 6
D 7
( P I N 2 )
( P I N 3 )
( P I N 4 )
( P I N 5 )

( P I N 6 )
( P I N 7 )
( P I N 8 )
( P I N 9 )
D 5
A C K
( P I N 1 1 )
( P I N 1 5 )
B U S Y
D 7
( P I N 1 2 )
D 2
D 3
D 1
( P I N 1 0 )
( P I N 1 3 )
D 4
D 0D 6
P E
E R R O R
S L C T
12
Trang 13
D
0
,D
1
,D
2
: không sử dụng (thường để ở mức [ 1])

Có địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản +1=379H.
• Thanh ghi điều khiển :
D
5
,D
6
,D
7
: không sử dụng(thường để ở mức [ 1]).
Địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản + 2=37AH.
Việc nối máy in với máy tính được thực hiện qua lỗ cắm DB25 ở phía sau
máy tính. Nhưng đây không chỉ la øchỗ nối với máy in mà khi sử dụng máy
tính vào mục đích đo lường và điều khiển thì việc ghép nối cũng thực hiện qua
ổ cắm này. Qua cổng này dữ liệu được truyền đi song song nên đôi khi còn
được gọi là cổng ghép nối song song và tốc độ truyền dữ liệu cũng đạt đến mức
là đáng kể. Tất cả các đường dẫn của cổng này đều tương thích TTL, nghĩa là
chúng đều cung cấp một mức điện áp nằm giữa 0V và 5V.
Bên cạnh 8 bit dữ liệu còn có những đường dẫn tín hiệu khác, tổng cộng
người sử dụng có thể trao đổi 1 cách riêng biệt với 17 đường dẫn, bao gồm 12
đường dẫn ra và 5 đường dẫn vào. Bởi vì 8 đường dẫn dữ liệu. D
0
-D
7
không
phải là đường dẫn 2 chiều trong tất cả các loại máy tính, nên sau đây ta sẽ thấy
là D
0
-D
7
chỉ sử dụng như là lối ra, các lối ra khác nữa là STROBE,

AUTOFEED (AF), INIT và SELECTIN (SLCTIN). Khi trao đổi thông tin với
máy in các đường này đều có chức năng xác định.
• Các tín hiệu của đầu cắm DB25:
Chân Tín hiệu Môtả
1 STR Mức tín hiệu thấp truyền dữ liệu tới máy in.
2 D
0
Bit dữ liệu D
0
.
3 D
1
Bit dữ liệu D
1
4 D
2
Bit dữ liệu D
2
.
D 5
D 7 D 2
D 3
D 1
D 4
D 0D 6
S T R O B E ( P I N 1 )
A F ( P I N 4 )
I N I T ( P I N 1 6 )
S L C T I N ( P I N 1 7 )
I R Q

C O N N E C T O R D B 2 5
1
1 3
1 4
2 5
Trang 14
5 D
3
Bit dữ liệu D
3
.
6 D
4
Bit dữ liệu D
4
.
7 D
5
Bit dữ liệu D
5
.
8 D
6
Bit dữ liệu D
6
.
9 D
7
Bit dữ liệu D
7

.
10 ACK Mức thấp chỉ rằng máy in đã nhận 1 ký tự.
A. BUSY
B. PE Báo hết giấy.
C. SLCT Báo lựa chọn máy in.
D. AF Tự nạp giấy.
E. ERROR Báo lỗi máy in.
F. INIT Reset máy in.
G. SCLTIN Chọn máy in.
H. 18-25 GND Đất.
II. KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI ADC – KHẢO SÁT ADC ICL 7109:
I. Kỹ thuật biến đổi ADC:
Biến đổi Analog – Digital là thành phần cần thiết trong việc xử lý thông
tin và các chức năng điểu khiển sử dụng phương pháp số, tín hiệu thực tế thì ở
dạng Analog. Một hệ thống tiếp nhận dữ liệu giao tiếp A/D để chuyển đổi tín
hiệu tương tự sang tín hiệu số để xử lý.
1. Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC:
a. Độ chính xác bất định do lượng tử hóa:
Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2
n
khoảng gián đoạn ở mỗi
mạch đổi n bit. Các giá trị tương tự cùng một khoảng được biểu thị cùng nhị
phân. Do có một độ chính xác bất định ± ½ LSB (Least significant bit).
b. Độ chính xác:
Độ chính xác tuyệt đối là sự sai biệt giữa lý thuyết và trị thực tế của điện
áp tương tự vào cho 1 mã nhị phân ra. Vì một mã số ra tương tứng với 1
khoảng hẹp của điện áp tương tự vào ở định nghĩa trên được xem như là điểm
giữa khoảng.
Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tuyệt đối như định nghĩa
trong điều kiện tràn khung đã được lấy chuẩn, vì các điểm rời trên đặc tính

chuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tương đối cũng là
độ phi tuyến.
c. Thời gian và tốc độ chuyển đổi:
Thời gian chuyển đổi: Thời gian chuyển đổi cần cho 1 lần chuyển đổi hồn
tồn. Đối với phần lớn mạch đổi, thời gian này gọi là nghịch đảo của tốc độ đổi,
nếu không có thêm các trì hỗn của hệ thống. Tuy nhiên trong mạch đổi có tốc
độ cao, lần đổi mới được lệch bắt đầu trước khi lần đổi trước kết thúc nên thời
gian đổi và tốc độ đổi khác nhau.
2. Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC):
a. Nguyên tắc mạch ADC:
Mạch biến đổi ADC (Analog Digital Converter) có bộ phận chính là mạch
so sánh:
Trang 15
Do đó nhiệm vụ của mạch tạo ra mã số và mạch điều khiển logic là thử
một bộ hệ số nhị phân a
i
sao cho hiệu số điện áp vào chưa biết V
a
và trị nguyên
lượng tử hóa sau cùng nhỏ hơn 1 LSB.
Chuyển đổi điện áp tương tự liên tục sang mã nhị phân rời rạc:

M a ïc h
t a ïo m a õ
s o á
M a õ s o á r a
Ñ i e än a ùp v a øo V
R
Ñ i e än a ùp
t ö ô n g t ö ï v a øo

V
a
1 2 3
4
5 6 7
T ö ô n g t ö ï v a øo
V
F S
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
1 / 2 L S B
+ 1 / 2 L S B
- 1 / 2 L S B
M a ïc h
t a ïo m a õ
s o á
M a õ s o á r a
Ñ i e än a ùp m a ãu V
R
Ñ i e än a ùp
t ö ô n g t ö ï v a øo
V
a
s o s a ùn h

LSB
n
i
i
i
a
FS
V
a
V
2
1
1
)2 (
<
∑
=
−
−
Trang 16
Sự khác nhau giữa các mạch đổi là cách thức thay đổi điện áp mẫu V
R
để
xác định hệ số nhị phân a
i
.
Điện áp tương tự chưa biết là V
a
và điện áp chuẩn là V
R

được nối ở hai
ngõ vào của mạch so sánh. Khi V
R
tăng từ 0 đến điện áp tương tự vào với sai số
bằng sai số lượng tử hóa, lúc đó mạch tạo mã số ra có giá trị tương ứng với
điện áp vào chưa biết.
Trang 17
b. Mạch ADC dùng điện áp mẫu V
R
hình nấc thang:
• Dạng mạch cơ bản:
Để tạo điện áp mẫu nấc thang so sánh với điện áp vào dùng mạch ADC
mà số nhị phân vào được lấy từ một mạch đếm lên như hình vẽ.
+
-
D A C n b i t
M a ïc h ñ e ám
n b i t
S
R
Q
Q
F F
E O C
C K x u n g ñ o àn g h o à
t a àn s o á f c
S T A R T
d o ác l e ân
V = V
R D A C

V
a
( + )
M a õ
s o á r a
T c
T h ô øi g i a n c h u y e ån ñ o åi
K e át t h u ùc
c h u y e ån ñ o åi
V
V ( t )
= V
R
D A C
R
t
t
t
t
Trang 18
• Mạch ADC dùng mạch đếm lên xuống:
Nếu ngã ra của mạch so sánh cho thấy V
R
<V
a
mạch logic sẽ điều khiển
mạch đếm lên, còn ngược lại sẽ được điều khiển đếm xuống. Nếu điện áp V
a
không đổi, V
R

sẽ tự dao động xung quanh V
a
với 2 trị số khác nhau 1 LSB. Khi
V
a
thay đổi chậm, V
R
theo kịp V
a
khi đó số đếm của mạch là mã nhị phân tương
ứng với trị tức thời của điện áp vào. Nhưng nếu V
a
biến đổi nhanh, V
R
sẽ không
theo kịp V
a
thì số đếm của mạch đếm không phải là mã nhị phân mong muốn.
c. Mạch ADC lấy gần đúng kế tiếp SAR:
Các mạch đếm ở trên đều không được dùng trong thực tế. Ở đây xét mạch
đổi lấy gần đúng kế tiếp dùng cách đổi điện áp mẫu một cách hiệu quả hơn
khiến số lần chuyển đổi ra mã số n bit chỉ mất n chu kỳ xung CK. Mạch đổi
gồm mạch so sánh, mạch ghi chuyển đặc biệt và mạch ADC.
+
-
D A C n b i t
C o u n t e r
U p / D o w n
C K
C o n t r o l L i g i c

V = V
R D A C
V
a
( + )
M a õ s o á
r a
R
R
V
K h o ân g t h a ây ñ o åi k ò p s o
v ô ùi V a ( t )
V
V a ( t )
Trang 19
Mạch ghi chuyển đặc biệt được gọi là mạch ghi lấy gần đúng kế tiếp
(Successive Approximation Register: SAR) là mạch có hợp luôn phần điều
khiển logic.
Khi có xung bắt đầu mạch SAR được đặt lệch về 0. Ngã ra của DAC được
làm lệch ½ LSB để tạo đặc tính chuyển đổi, kế đến SAR đưa bit có nghĩa lớn
nhất (MSB) lên 1, các bit khác bằng 0. Số nhị phân ra ở SAR được đưa vào
mạch DAC.
Nếu V
R
>V
a
(điện áp tương tự vào) ngã ra V
c
của mạch so sánh mức [0]
khiến SAR bỏ đi MSB (làm cho nó bằng 0).

Nếu V
R
<V
a
thì V
c
ở mức cao khiến SAR giữ lại bit

MSB (làm cho nó vẫn
bằng 1). Tiếp theo, SAR đưa bit có nghĩa kế tiếp

lên 1 và được quyết định bởi
cách thức như bit MSB ở trên. Tiếp tục như vậy cho đến bit cuối cùng của
SAR, lúc đó V
a
gần V
R
nhất.
d. Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đơn. (Single ramp converter) :
Tín hiệu chuẩn từng nấc được tạo bởi mạch ADC có thể được thay thế bởi
điện áp chuẩn dốc liên tục do mạch tạo tín hiệu dốc lên liên tục tạo ra.
Ban đầu:
Mạch so sánh SS
1
có V
(-)
=V
a
>V
(+)

=V
offset
 ngã ra của SS
1
là V
C1
=[0].
Mạch so sánh SS
1
có V
(+)
=V
offset
< V
(-)
=0  ngã ra của SS
1
là V
C2
=[0].
• Khi cho xung START đặt vào mạch đếm n bit về 0 và khởi động mạch tạo
tín hiệu dốc lên, V
R
từ giá trị hơi âm tăng đến khi đường dốc cắt trục 0V.
C K
R D A C
+
S A R
-
V = V

D A C n b i t
M a õ s o á
r a
V c
V a ( t )
S T A R T
F F
M a ïc h t a ïo
t í n h i e äu
d o ác l e ân
M a õ s o á
r a
Q
S
+
S T A R T
E O C
Q
M a ïc h ñ e ám
n b i t
-
R
-
+
V c ( t )
V c ( t )
V a ( t )
V
R
2

1
CK
Trang 20
Trong khoảng thời gian t
1
– t
2
.
Mạch SS
2
: V
(+)
=V
R
> V
(-)
=0  V
C2
=[1].
Mạch SS
1
: V
(+)
=V
R
< V
(-)
=V
a
 V

C1
=[0].
Tại FF S=0 Q=0

R=START =1 Q=1.
Tại cổng AND
Q =1
 Đưa xung CK vào bộ đếm.
V
C2
h i g h
h i g h
t
t
t
t
t
t
E O C
C K
V c
V c
V a , V
S T A R T
V o f f s e t
1
2
R
T c
H ì n h a .

-
+
V
R O Ån ñ ò n h v a øo
V r ( t )
H ì n h b .
R
R
C
Trang 21
• Khi V
R
>V
a
:
Mạch SS
1
: V
R
=V
(+)
> V
(-)
=V
a
 V
C1
=[1].
Tại FF: S=V
C1

=[1]. Q=1=EOC
R= hết xung START =[0] Q=0Đóng cổng AND lại không cho
xung CK vào mạch đếm, tạo tín hiệu EOC.
Tín hiệu dốc lên thường được tạo bởi mạch tích phân nối đến điện áp mẫu V
R
(hình b).
e. Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đôi:
Mạch đổi này dùng cách lấy tích phân để giải quyết khuyết điểm của
mạch đổi dùng tín hiệu dốc đơn. Mạch này gồm mạch lấy tích phân, mạch so
sánh, mạch logic điều khiển và mạch đếm n bit.
-
E O C
+
M a ïc h
ñ e ám n b i t
+
-
M a ïc h l o g i c
ñ i e àu k h i e ån
Ñ e äm n g o õ r a
M a ïc h s o s a ùn h
M a ïc h t í c h
p h a ân
M a õ s o á r a
V a < 0
V
R
S T A R T
V i
C K

V c
S I
C
R
S 1
S 2
Trang 22
Mạch điều khiển logic sau khi nhận xung START sẽ mở S
I
, đóng S
1
và
mở S
2
. Khi chuyển mạch S
1
đóng đưa tín hiệu V
a
(giả sử âm) vào mạch tích
phân để lấy tích phân theo V
a
. Khi đó ngã ra mạch tích phân sẽ là:
 V
I
(t) =V
(-)SS
>0. Vì thế ngã ra của mạch so sánh có V
C
=1.
Do đó mở cổng AND cho xung CK vào mạch đếm.

Khi mạch đếm tràn (hết cỡ rồi tự động quay về 0).
Mạch logic điều khiển mở S
1
, đóng S
2
. Chuyển mạch S
2
đóng đưa V
R
vào mạch
tính phân để lấy tích phân theo V
R
(V
R
>0). Vì thế ngã ra V
I
giảm từ V
Imax
về 0.
- Giá trị V
Imax
khơng đổi trong suốt 2 giai đoạn lấy tích phân t
1
,t
2
.
Giả sử R,C khơng đổi trong suốt thời gian chuyển đổi.
3. Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC:
a. Độ chính xác bất định do lượng tử hóa:
)0(V .)(V

chậm. đổi thay )(V sử Giả
0
).(.
1
)(
<−=
=
−=
∫
a
t
RC
a
V
t
I
a
Vt
a
t
dtt
a
V
RC
t
I
V
∫ ∫
+
−=−

1 21
0 0
.

1

1
t tt
Ra
dtV
RC
dtV
RC
khung)tràn trò giá đến 0 từđếm hmạc (trong

2
cùng); saếm số là N (với
2
.
2

n
12
1
2
21
cc
n
Ra
n

R
a
Ra
f
t
f
N
t
N
VV
N
t
t
V
V
tVtV
==
==>==
=
E O C
V c
V m a x
I
t
t
t
t
d o ác l e ân l a áy t í c h p h a ân V a
d o ác x u o án g l a áy t í c h p h a ân V a
t 1

t 2
T c
S T A R T
Trang 23
-Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2
n
khoảng gián đoạn. Ở mạch
đổi n bit. Các trị tương tự cùng một khoảng được biểu thị cùng một mã số nhị
phân. Do đó có một độ chính xác bất định ± ½ LSB bên cạnh các sai số chuyển
đổi khác. Trong mạch tín hiệu dốc đơn sai số này thường được phát biểu như ±
một số đếm.
b.Độ chính xác:
Độ chính xác tuyệt đối là sự sai biệt giữa lý thuyết và trị thực tế của điện
áp tương tự vào cho một mã nhị phân ra. Vì 1 mã số ra tương ứng với một
khoảng hẹp của điện áp tương tự vào nên điện áp tương tự vào ở định nghĩa
trên được xem như là điểm giữa khoảng.
Sai số tuyệt đối gồm :sai số về độ lợi, về không, độ phi tuyến và do nhiễu.
Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tuyêt đối như định nghĩa
trong điều kiện trị tràn khung đã được lấy chuẩn vì các điểm rời trên đặc tính
chuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tương đối cũng
chính xác là độ phi tuyến.
c. Chỉnh không và chỉnh độ lợi:
Điểm không của mạch đổi ADC được chỉnh sao cho sự chuyển tiếp từ các
bit đầu bằng 0 lên LSB xảy ra ở ½.2
-n
trị tràn khung danh định.
Độ lợi được chỉnh cho chuyển tiếp cuối cùng lên các bit đều bằng 1 xảy ra
tràn khung (1-3/2.2
-n
).

Điểm 0 của mạch chuyển đổi ADC lưỡng cực được chỉnh sao cho chuyển
tiếp đầu trên xảy ra ở tồn khung (1-2
-n
) và chuyển tiếp cuối xảy ra 0
_+

tràn
khung (1-3.2
-n
).
Trang 24
B.Khảo sát ADC ICL 7109:
Sơ đồ chân:
Các thông số về nhiệt độ:
Họ IC TẦM NHIỆT ĐỘ HOẠT ĐỘNG
ICL 7109MDL -55
0
C  +125
0
C
ICL 7109 IDL -25
0
C  +85
0
C
ICL 7109CPL 0 +70
0
C
ICL 7109
MDL/883

-55
0
C  +125
0
C
ICL 7109 IPL -25
0
C +85
0
C
G N D
S T A T U S
P O L
B 1 2
B 1 1
B 1 0
V +
R E F C A P +
R E F I N +
I N H I
O R
I N L O
1
2
4
5
6
7
3 7
3 6

3 3
3
I C L
7 1 0 9
8
B 9
4 0
3 5
3 9
3 4
C O M M O N
R E F I N -
R E F C A P -
1 6
9
2 4
2 3
2 2
2 5
2 6
2 7
2 9
3 0
3 1
1 7
1 0
1 1
1 2
1 3
1 4

1 5
2 1
1 8
1 9
2 0
3 2
2 8
3 8
B 8
B 7
B 6
B 5
B 4
B 3
B 2
B 1
T E S T
L . B E N
H . B E N
C E / L O A D
I N T
A Z
B U F
R E F O U T
V -
S E N D
R U N / H O L D
B U F O S C O U T
O S C S E L
O S C O U T

O S C I N
M O D E
I C L 7 1 0 9
( P D I P )
T O P V I E W
P I N O U T S
Trang 25
Đặc điểm:
+ ADC 12 bit nhị phân (cộng với bit cực tính và bit tràn) hoạt động theo
phương pháp tích phân hai độ dốc.
+Ngõ ra 3 trạng thái tương thích TTL và với kiểu giao tiếp UART thì phù
hợp với giao tiếp song song hoặc giao tiếp với hệ thống vi xử lý.
+Ngõ vào Run/Hold và Status được dùng để theo dõi và kiểm tra sự
chuyển đổi .Mức nhiễu thấp khoảng 15 µV
p-p
.
+ Dòng ngõ vào khoảng 1pA.
+Hoạt động có thể lêâøn đến 30 lần biến đổi trong 1 giây.
+Vi mạch bên trong sử dụng dao động thạch anh 3,58MHz sẽ cho 7,5 lần
chuyển đổi trong 1 giây. Ngồi ra nó có thể sử dụng dao động RC hoặc bất cứ
tần số xung đồng hồ khác để tạo dao động.
MÔ TẢ:
ICL 7109 thuộc họ CMOS, chuyển đổi nhanh, nguồn nuôi thấp và được
thiết kế dễ dàng giao tiếp với vi xử lý.
Ngõ ra dữ liệu(12 bit cộng 1 bit cực tính và 1 bit tràn) sẵn sàng giao tiếp
song song thông qua sự điều khiển của 2 ngõ vào ENABLE và CHIP SELECT,
kiểu giao diện UART sẽ cho phép ICL7109 làm việc với tiêu chuẩn công
nghiệp mà ở đó UART sẽ đóng vai trò truyền dữ liệu.
Vi mạch ICL7109 có những ưu điểm như: độ chính xác cao, nhiễu không
đáng kể và trôi áp thấp đặc biệt rất kinh tế. Ngồi ra nó còn có những thông số

khác như: trôi áp thấp hơn 1µV/
o
c, dòng vào tối đa 10pA và công suất tiêu thụ
20mW… làm cho vi mạch này càng trở nên hấp dẫn.
CHỨC NĂNG CÁC CHÂN:
CHÂN KÝ HIỆU CHỨC NĂNG
1 GND Chân Mass
2 STATUS Ngõ ra lên mức cao trong suốt quá trình biến đổi cho đến khi dữ
liệu được chốt lại. Ngõ ra xuống thấp khi tín hiệu được chuyển
đổi xong
3 POL Báo cực tính – Mức 1 khi tín hiệu tương tự vào dương
4 OR Bit tràn - Mức 1 nếu tràn.
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
B12
B11
B10
B9
B8
B7
B6

B5
B4
B3
B2
Bit 12 Bit có trọng số lớn nhất
Bit 11
Bit 10
Bit 9
Bit 8
Bit 7
Bit 6
Bit 5
Bit 4
Bit 3
Bit 2
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái