Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FPAA trong đo lường điều khiển

Bộ giáo dục v đo tạo
Trờng đại học bách khoa H Nội





Luận văn thạc sĩ khoa học




Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FPAA
trong đo Lờng Điều Khiển
Ngnh : đo lờng v hệ thống điều khiển
Mã số :
Hong Thị Tú Uyên


Ngời hớng dẫn khoa học: Pgs.ts Phạm thị ngọc yến
ThS Lê Hải Sâm


H nội 2006

mục lục

Lời nói đầu
1
chơng 1: Đặt vấn đề

2
1.1 Giới thiệu về công nghệ FPAA 2
1.2 Mục tiêu của bản luận văn 5
Chơng 2: Tổng Quan về công nghệ FPAA
7
2.1 Kỹ thuật chuyển mạch tụ điện 7
2.1.1 Nguyên lý chuyển mạch tụ điện 7
2.1.2 Sử dụng nguyên lý chuyển mạch tụ điện 8
2.1.2.1 Mạch khuếch đại 8
2.1.2.2 Mạch so sánh ( comperator) 11
2.1.2.3. Mạch tích phân 11
2.1.2.4 Mạch vi phân 12
2.1.3 Tính u việt của kỹ thuật chuyển mạch tụ điện 13
2.1.3.1 Các đặc điểm cơ bản 13
2.1.3.2. Tạo điện trở âm 14
2.1.3.3 Mạch chỉnh lu tích cực 15
2.1.4 Lấy mẫu tín hiệu 17
2.1.4.1 Dạng tín hiệu lấy mẫu trong kỹ thuật chuyển mạch tụ
điện
17
2.1.4.2 Các đặc tính của tín hiệu analog lấy mẫu 18
2.1.4.3 Vấn đề chống trùng phổ v lọc san phẳng tín hiệu 19
2.2 Các thế hệ phát triển của FPAA 20
2.2.1 Thế hệ thứ nhất 20
2.2.1.1. Cấu trúc tổng thể của AN10E40 20

2.2.1.2 Sử dụng AN10E40 21
2.2.1.3 Các u thế của AN10E40 trong thiết kế mạch 23
2.2.2 Thế hệ thứ hai 24
2.2.2.1 Đặc điểm chung 24

2.2.2.2 Th h AN120E04 v AN220E04
25
2.2.2.3 Thế hệ AN121E04 v AN221E04 28
2.2.2.4 Th h AN221E02
31
Chơng 3: các lĩnh vực ứng dụng của FPAA
32
3.1 Các khả năng ứng dụng của FPAA 32
3.2 Các ứng dụng điển hình sử dụng công nghệ FPAA 33
3.2.1 Công nghệ FPAA trong thiết bị đọc thẻ RFID 33
3.2.1.1 Giới thiệu về công nghệ RFID 33
3.2.1.1 FPAA trong thiết bị đọc thẻ RFID 36
3.2.2 Công nghệ FPAA trong kỹ thuật đo 42
3.2.3 Công nghệ FPAA trong các thiết bị điều khiển 49
Chơng 4 : ứng dụng công nghệ FPAA trong đo khí CO
54
4.1 Tầm quan trọng của việc đo khí CO 54
4.2 Các nguyên lý đo v cảm biến đo khí CO 55
4.2.1 Các phơng pháp đo khí
55
4.2.2 Các cảm biến đo khí CO
56
4.3 Những u điểm khi sử dụng công nghệ FPAA trong đo khí CO
64
Chơng 5: Thiết kế thiết bị đo CO sử dụng công nghệ
FPAA
71
5.1 Các bớc thiết kế thiết bị đo khí CO 71
5.2 Thiết kế thiết bị 71
5.2.1 Yêu cầu kỹ thuật 71

5.2.2 Thiết kế phần cứng 71
5.2.3 Thiết kế phần mềm 75
5.2.3.1 Nguyên lý hoạt động chung của thiết bị 75
5.2.3.2 Thiết kế các khối chức năng trong AN221E04
76
5.2.3.3 Thiết lập bảng tra LUT trong AN221E04 80
5.2.3.4 Lu đồ thuật toán trong vi điều khiển 89
5.3 Kết quả của quá trình thiết kế 98
Kết Luận v hớng phát triển
102
Ti liệu tham khảo 104

-1-
Upload by 0912757570

Lời Nói Đầu

Trong những năm trở lại đây, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần
mềm, công nghệ chế tạo IC đã mở ra một khả năng to lớn trong lĩnh vực đo lờng
nh công nghệ chế tạo thiết bị đo, thiết bị thử nghiệm tại hiện trờng của các kỹ
thuật viên , xây dựng các hệ đo v giám sát với khả năng đáp ứng nhanh, chính
xác .
Mục đích của luận văn l nghiên cứu, ứng dụng công nghệ FPAA trong lĩnh
vực đo lờng điều khiển.
Nội dung cơ bản của luận văn đợc trình by trong 5 chơng
Trong bản luận văn do điều kiện thời gian cũng nh điều kiện nghiên cứu còn
hạn chế nên còn nhiều thiếu sót. Rất mong đợc sự giúp đỡ , chỉ bảo của các thầy
cô v ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp để đề ti sau ny có tính khả thi
trong thực tế.

Tôi xin by tỏ lòng cảm ơn đến PGS.TS Phạm Thị Ngọc Yến, Th.s Lê Hải Sâm
đã tận tình hớng dẫn v động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn
của mình. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Đo lờng
Tin học công nghiệp , các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực
hiện đề ti.


-2-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển
Chơng I : Đặt vấn đề

1.1 Giới thiệu về công nghệ FPAA
Cho đến nay, việc thiết kế v chế tạo mạch điện tử tơng tự thực chất l sắp
xếp các phần tử thụ động ( điện trở, cuộn cảm, tụ điện) v các phần tử tích cực
nh ( transistor, Mosfet, opamp ) lại với nhau sao cho có thể thực hiện đợc các
chức năng m ngời thiết kế đặt ra. Thông thờng quá trình thiết kế một mạch
điện tử tơng tự bao gồm các bớc :
- Xác định hm truyền mô tả hoạt động của mạch
- Xây dựng sơ đồ mạch
- Lựa chọn v sắp xếp các phần tử
- Xác định giá trị các tham số của từng phần tử
Điều ny lm cho việc thể hiện các ý tởng thiết kế v chế tạo các mạch điện
tử tơng tử trở nên khó khăn. Đòi hỏi ngời thiết kế phải có một trình độ cao về
kỹ thuật mạch v phải nắm vững đặc tính của các phần tử dùng cho thiết kế.
Ngời thiết kế không những cần phải đa ra một sơ đồ mạch hợp lý, lựa chọn
đúng các phần tử mạch, tính toán chính xác trị số của các linh kiện m còn cần
phải có kinh nghiệm trong việc sắp xếp bố trí hợp lý các phần tử trên bảng mạch
nhằm tránh những ảnh hởng qua lại giữa các bộ phận, nâng cao độ chính xác,
độ tin cậy của thiết bị. Quá trình thiết kế v chế tạo một thiết bị điện tử tơng tự,

kể từ khi hình thnh ý tởng thiết kế cho đến khi có sản phẩm cuối cùng thờng
phải mất hng tuần thậm chí hng tháng.
Công nghệ FPAA (Field Programmable Analog Array ) ra đời nhằm giúp cho
quá trình thiết kế v
chế tạo thiết bị analog trở nên đơn giản hơn, đồng thời lm
-3-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển
tăng tính linh hoạt mềm dẻo của thiết bị. Sự dụng cộng nghệ FPAA, ngời thiết kế
không cần phải có kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật mạch, cũng nh kinh nghiệm
trong việc bố trí lắp ráp mạch. Để thiết kế một hệ thống, ngời thiết kế chỉ cần
lựa chọn các khối chức năng analog ở mức cao ( ví dụ : khuyếch đại, lọc tích
cực, các khâu truyền đạt phi tuyến ) v xác định các đặc tính cụ thể cho chúng.
Quá trình từ lúc bắt đầu ý tởng thiết kế cho đến khi thực hiện thiết kế, chạy mô
phỏng v đa ra sản phẩm cuối cùng chỉ diễn ra trong vòng vi chục phút.
Công nghệ FPAA l sự kết hợp của cả tính linh hoạt khả trình của kỹ thuật số
với độ nhạy cao, tốc độ nhanh của kỹ thuật tơng tự. Cùng với sự phát triển
mạnh mẽ của công nghệ thông tin trong những thập niên vừa qua v sự ra đời
các phần mềm hỗ trợ thiết kế đã giúp ích rất nhiều cho công việc thiết kế của
ngời kỹ s. Với sự trợ giúp của các phần mềm thiết kế mạch điện tử, ngời kỹ s
hon ton có thể mô tả thiết kế trên máy tính, chạy mô phỏng v đánh giá kết
quả của thiết kế trớc khi thực hiện nó.
Tháng 8 năm 2002, công ty Anadigmđ đa ra thị trờng công cụ thiết kế chế
tạo mạch điện tử tơng tự từ các FPAA gọi l Anadigmvortex gồm bốn bộ phận
cơ bản:
- Phần mềm trợ giúp thiết kế ( AnadigmDesignerđ ) cho phép ngời kỹ
s thiết kế, triển khai thực hiện v thay đổi cấu hình cho các mạch điện
tử tơng tự chỉ trong vòng vi phút.
- Th viện CAM (Configurable Analog Module ) chứa các khối chức
năng analog, ngời dùng có thể sử dụng các khối n

y để tạo nên hệ
thống mạch analog hon chỉnh.
-4-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển
- Hệ phát triển l bảng mạch giúp ngời thiết kế tạo ra các mẫu thử v
kiểm tra hoạt động của mạch trớc khi triển khai thực hiện nó.
- Các chip vi mạch FPAA, thờng gọi l các chip trắng.
Với Anadigmvortex, công việc thiết kế chế tạo thiết bị điện tử tơng tự trở nên
đơn giản hơn rất nhiều. Ngời thiết kế bây giờ chỉ cần thực hiện những công việc
sau :
- Lựa chọn chủng loại chip FPAA dựa trên tính chất của ứng dụng.
- Sử dụng công cụ AnadigmDesignerđ2 với giao diện graphic kiểu drap-
and-drop để thiết kế mạch analog trên máy tính. Kết hợp với th viện
CAM, ngời thiết kế có thể tạo ra hệ thống mạch điện tử tơng tự hon
chỉnh một cách nhanh chóng. Để thiết kế ngời dùng chỉ cần gọi từ th
viện CAM các khâu chức năng analog đã đợc lập sẵn, ví dụ nh các
mạch khuyếch đại, chỉnh lu tích cực, lọc tích cực bậc cao Ngời
thiết kế cũng không cần đòi hỏi phải có kiến thức chuyên sâu về lý
thuyết mạch điện tử. Việc chính m ngời thiết kế cần chính l xác định
tham số cho các khối đợc chọn, ví dụ hệ số khuyếch đại, giải thông
của mạch lọc
- Nạp cấu hình thiết kế vo chip FPAA thông qua hệ phát triển. Hệ phát
triển FPAA l một bảng mạch trên đó có slot để cắm chip FPAA cần
lập trình. Bảng mạch ny đợc nối với máy tính PC ( thờng l qua
cổng COM) để giúp ngời thiết kế tạo ra các mạch thử cho các thiết kế
điện tử t
ơng tự. Bảng mạch còn có thêm các khối chức năng mở rộng,
v các cổng nối I/O cho phép kết nối chip FPAA với các phần tử khác
để tạo nên một hệ thống mạch thử hon chỉnh.

-5-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển
Có thể nói công nghệ FPAA đã mở ra một hớng hon ton mới trong việc
thiết kế các hệ thống mạch điện tử tơng tự. Ngời kỹ s thiết kế có thể tích hợp
nhiều chức năng của hệ thống trên cùng một chip, đồng thời có thể lập trình thay
đổi cấu hình của thiết bị ngay tại hiện trờng, trong khi nó đang hoạt động. Điều
ny l rất quan trọng, vì nhiều khi ngời thiết kế cần phải hiệu chỉnh các chức
năng của thiết bị để cho phù hợp với sự thay đổi đặc tính của đối tợng. Ngoi
ra, công nghệ FPAA còn cho phép những ngời thiết kế chế tạo các mạch điện tử
rút ngắn thời gian cần thiết để đa sản phẩm ra thị trờng v giảm đợc chi phí
kỹ thuật đột xuất. Các sản phẩm FPAA cũng có thể đợc sử dụng lại nhiều lần
cho nhiều ứng dụng khác nhau nhờ khả năng thay đổi cấu hình của chúng. Nói
tóm lại, lợi ích của công nghệ FPAA trong việc thiết kế chế tạo các mạch điện tử
tơng tự l rất rõ rng. Hiệu quả của nó đợc thể hiện trong nhiều dự án, cho dù
số lợng sản phẩm nhiều hay ít, thậm chí ngay cả với các thiết kế chỉ dùng cho
một sản phẩm.
1.2
Mục tiêu của bản luận văn
Khả năng ứng dụng của công nghệ FPAA trong kỹ thuật đo lờng điều khiển
thật rộng rãi v cần thiết bởi tính đơn giản v thuận tiện trong thiết kế cũng nh
tính khả thi của nó. Tuy nhiên khuôn khổ bản luận văn chỉ hạn chế ở những mục
tiêu sau:
- Nghiên cứu cấu trúc phần cứng của các vi mạch FPAA.
- Phơng pháp lập trình phần mềm, sử dụng công cụ thiết kế
AnadigmDesignerđ2
- Phân tích các ứng dụng của công nghệ FPAA đã v đang đợc khai thác
-6-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

- Phân tích cụ thể khả năng ứng dụng của một vi mạch FPAA- AN221E04, trên
cơ sở đó tính toán v thiết kế một mạch đo cụ thể, đo nồng độ khí CO
- Thiết kế mạch phần cứng thiết bị đo CO
- Xây dựng lu đồ thuật toán điều khiển, viết phần mềm
Luận văn gồm 5 chơng:
o Chơng 1: Đặt vấn đề
o Chơng 2: Tổng quan về công nghệ FPAA
o Chơng 3: Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ FPAA
o Chơng 4: ứng dụng công nghệ FPAA trong đo khí CO
o Chơng 5 : Thiết kế thiết bị đo CO sử dụng công nghệ FPAA

-7-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

Chơng 2: Tổng quan về công nghệ fpaa
2.1
Kỹ thuật chuyển mạch tụ điện
2.1.1 Nguyên lý chuyển mạch tụ điện:
Chúng ta biết rằng một mạch điện tơng tự thờng bao gồm các điện trở, các
tụ điện v các phần tích cực (Transistor, tầng khuếch đại). Công nghệ chế tạo ra
các tụ điện thờng dễ dng hơn v do vậy cũng rẻ hơn so với việc tạo ra các điện
trở. Phơng pháp chuyển mạch tụ điện (Switched capactor) l kỹ thuật thiết kế
mạch điện tử, nhờ đó có thể tạo ra các điện trở từ các tụ điện.


1
1
0
0

ỉ
1
ỉ
2
T
T
T
/ 2
T
3
T
/ 2
2
T

Hình 2 - 1.1 Nguyên lý chuyển mạch tụ điện
Xét sơ đồ chuyển mạch tụ điện khi khoá 1 thông v khoá 2 hở thì tụ C đợc
nạp từ nguồn V qua khoá 1 một điện tích q = C x V. Ngợc lại khi khoá 2
thông v khoá 1 hở thì điện tích đó lại đợc phóng hết xuống đất qua khoá 1.
Nếu điều khiển các khoá 1 v 2 đóng mở theo chu kỳ với tần số f = 1/T thì
dòng điện trung bình qua mạch sẽ l

q
i
f
q
f
CV
T
==ì=ìì

(1.1)
-8-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

Biểu thức trên cho thấy một tụ điện chuyển mạch liên tục sẽ có tác dụng dẫn
dòng nh l một điện trở, nh vậy bằng kỹ thuật chuyển mạch ta đã biến một tụ
điện thnh một điện trở tơng đơng có trị số:

1V
R
ifC
==
ì
(1.2)

Giá trị R của điện trở tơng đơng ny tỷ lệ nghịch với điện dung C của tụ
điện v tần số chuyển mạch f, khi sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện muốn
cho mạch hoạt động tốt cần chú ý một số nguyên tắc sau:
- Không đợc để cả hai khoá
1
v
2
thông đồng thời.
- Cần phải có một thời gian quá độ từ khi
1
hở đến
2
thông

v từ khi
2
hở đến khi
1
thông.
- khi lựa chọn tần số chuyển mạch cần phải chú ý sao cho tụ điện đợc
nạp đủ hoặc phóng hết trong trạng thái
1
v
2
.
2.1.2 Sử dụng nguyên lý chuyển mạch tụ điện
2.1.2.1 Mạch khuếch đại
Xét khuếch đại đơn giản mô tả ở hình 2-1.2 mạch ny gồm một Op - Amp một
tụ điện lối vo CA, một tụ điện phản hồi CF v 5 khoá chuyển mạch.


-9-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

Hình2 -1.2. Mạch khuếch đại đảo dùng tụ điện chuyển mạch
ở trạng thái 1 mạch ny có dạng nh hình 2-1.3a điểm nối chung của 2 tụ
điện có điện thế bằng mức offset vo của Op - Amp mức điện áp offset ny đợc
đo v hiệu chỉnh trong khoảng thời gian của trạng thái 1 (autozezo).




Hình 2-1.3. Mạch khuếch đại đảo ở trạng thái 1(a), 2(b)

Tiếp theo l một giai đoạn quá độ, ở đó các khoá 1 v 2 đều hở. Sau giai
đoạn quá độ l trạng thái 2 đợc mô tả ở hình 2-1.3b. ở trạng thái ny tụ CA
đợc nạp từ nguồn V
in
(qua khoá 2) một điện tích q = V
in
x CA dòng điện tích
ny đồng thời cũng chảy qua tụ CF v nh vậy CF cũng đợc nạp một điện tích
tơng tự. Do vậy điện áp ở lối ra của Op Amp sẽ l Vout = - (q/CF).
Kết quả ta có mạch hình 2-1.2 l một tầng khuếch đại đảo với hệ số khuếch
đại:

out
A
u
in F
V
C
K
VC
==
(1.3)
-10-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

Nếu thay đổi vị trí của các khoá chuyển mạch trong hình 2-1.2 thnh dạng
nh hình 2-1.4 thì kết quả ta sẽ nhận đợc tầng khuếch đại không đảo với hệ số
khuếch đại:
Hình 2 1.4. Mạch khuếch đại không đảo dùng tụ điện chuyển mạch

F
A
in
out
u
C
C
V
V
K
==
(1.4)
Nh vậy, mạch khuếch đại đảo v không đảo chỉ khác nhau vị trí của hai
khoá 1 v 2 ở lối vo. Nếu ta tạo một cơ chế thay đổi linh hoạt vị trí của hai
khoá đó thì sẽ có một tầng khuếch đại hỗn hợp.
Hình 2-1.5 l sơ đồ của một tầng khuếch đại hỗn hợp. Trong sơ đồ ny Sign
l một tín hiệu logic quyết định vị trí của các khoá 1 v 2. Ví dụ, khi Sign = 0
khoá 1 đợc nối với V
in
v khoá 2 nối với Gnd ta có mạch khuếch đại không
đảo, Sign = 1 thì khoá 2 đợc nối với V
in
v khoá 1 nối với Gnd ta có mạch
khuếch đại đảo.
-11-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

Hình 2 1.5. Mạch khuếch đại hỗn hợp
2.1.2.2 Mạch so sánh ( comperator).
Nếu loại bỏ tụ điện phản hồi CF v các khoá nối với nó ra khỏi sơ đồ mạch
khuếch đại ở hình 2-1.5 ta sẽ có đợc sơ đồ mạch nh hình 2-1.6 l một mạch so
sánh. Nói một cách khác đây vẫn l bộ khuếch đại nhng có điện dung tụ CF = 0
do vậy hệ số khuếch đại của nó l vô cùng ( hoặc âm vô cùng tuỳ thuộc vo tín
hiệu sign). Một bộ khuếch đại điện áp có hệ số khuếch đại bằng dơng vô cùng
chính l một mạch so sánh.


Hình 2 - 1.6. Mạch so sánh
2.1.2.3. Mạch tích phân
-12-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

Nếu loại bỏ khoá 1 nối tụ điện xuống Gnd ra khỏi sơ đồ mạch khuếch đại ở
hình 2-1.5 ta sẽ có sơ đồ mạch nh hình 2-1.7. Đây l một mạch tích phân điện
áp.



Hình 2-1.7. Mạch tích phân
Cũng nh trong các mạch khuếch đại v so sánh ở trên, trong sơ đồ ny tín
hiệu Sign chỉ có tác dụng thay đổi hm truyền đạt. Giả sử rằng lúc ny khoá 1
đợc nối với V
in
còn khoá 2 nối với Gnd. Xét chu kỳ chuyển mạch thứ i, ở trạng
thái 1 tụ điện CA đợc nạp một điện tích q = V

in
x CA còn tụ điện CF do hở
mạch 2 đang duy trì một điện áp của quá trình trớc tạm gọi l V
out
. Chuyển
sang trạng thái 2 tụ CA phóng điện tích đó xuống đất v dòng phóng ny sẽ
tích thêm cho tụ CF một điện áp tính bằng:

in A
out
FF
VC
q
V
CC
ì
= =
(1.5)
Do vậy điện áp của mạch trên tại chu kỳ thứ i sẽ l

F
Am
ioutiout
C
CV
tVtV
+
+=

)()(

1
(1.6)
Biểu thức trên đây cho thấy điện áp V
out
chính l tích phân của điện áp V
in

nhân với hệ số khuếch đại CA/CF
-13-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

2.1.2.4 Mạch vi phân







Nối cố định nguồn tín hiệu vo V
in
với tụ điện CA nh ở sơ đồ hình 2-1.8a,
ta sẽ có đợc một mạch vi phân điện áp.
Trong sơ đồ ny lối vo của Op-amp đợc nối với tụ điện C
A
, mạch phản hồi
có tụ điện C
F
kết hợp với các khoá chuyển mạch 1 v 2 thực hiện chức năng

của một điện trở R. Nh vậy, mạch ny có dạng của một mạch vi phân quen
thuộc theo sơ đồ trên hình 2-1.8b.
2.1.3 Tính u việt của kỹ thuật chuyển mạch tụ điện
2.1.3.1 Các đặc điểm cơ bản
Với kỹ thuật chuyển mạch tụ điện, các điện trở trong mạch đợc thay thế bằng
tụ điện. Trớc hết, kỹ thuật ny giúp cho quá trình chế tạo các vi mạch trở nên
đơn giản hơn. Thay vì phải chế tạo các điện trở kích thớc nhỏ có trị số rất khác
nhau, nh chế tạo bây giờ chỉ phải tạo ra các tụ điện. V thực tế, việc chế tạo
các tụ điện nhỏ bằng công nghệ CMOS thì đơn giản hơn nhiều so với chế tạo
điện trở. Khác với các điện trở thông thờng, trị số của các điện trở tơng đơng
tạo ra bằng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện không phụ thuộc nhiệt độ m chỉ phụ
Hình 2-1.8a
Hình 2-1.8b
-14-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

thuộc vo điện dung của tụ điện v tần số chuyển mạch,
Cf
R
*
1
=
. Theo đó,
ngời dùng có thể thay đổi trị số của các điện trở bằng cách thay đổi tần số
chuyển mạch.
Trong các mạch điện tử tơng tự dùng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện đã xét ở
trên, ta thấy hệ số truyền đạt của chúng đều chỉ phụ thuộc vo tỷ số của các tụ
điện (
F

A
C
C
). Đây cũng l một lợi thế của công nghệ chế tạo vi mạch điện tử. Với
công nghệ vi điện tử việc chế tạo một phần tử mạch (điện trở, tụ điện) có độ
chính xác cao l rất khó khăn, thông thờng trị số tuyệt đối của các phần tử có
dung sai cỡ 10 ữ 20%. Trong khi đó, việc tạo ra các cặp phần tử có tỷ số giữa
các giá trị của chúng chính xác l điều rất dễ dng. Kỹ thuật chế tạo vi mạch của
Anadigmđ cho phép chế tạo các cặp tụ điện có tỷ số giữa các điện dung của
chúng sai lệch không quá 0.1%.
Ngoi ra, với việc sử dụng các tụ điện lm phần tử chính của mạch, kỹ thuật
chuyển mạch tụ điện cũng góp phần lm giảm công suất tiêu tán v không lm
cho vi mạch bị nóng lên khi thiết bị hoạt động lâu di.
2.1.3.2. Tạo điện trở âm
-15-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

Hình 2 1.9. Chuyển mạch tụ điện tạo điện trở dơng (a) v âm (b)
Bằng cách thay đổi vị trí các khoá 1 v 2 trong sơ đồ chuyển mạch tụ điện
ngời ta có thể tạo ra các phần tử có đặc tính điện trở âm. Sơ đồ mạch ở hình 2-
1.9 giải thích nguyên lý tạo điện trở dơng (a) v điện trở âm (b). Theo hình 2-
1.9a, ở trạng thái 1 tụ điện đợc nạp từ nguồn điện áp V v dòng nạp ny cũng
chính l dòng điện ra có chiều cùng với chiều của nguồn nạp. ở trạng thái 2 tụ
điện phóng hết điện tích xuống Gnd, chuẩn bị cho một chu kỳ nạp mới. Còn theo
hình 2-1.9b, ở trạng thái 1 tụ điện đợc nạp từ nguồn điện áp V v ở trạng thái
2 tụ điện phóng điện tích tạo nên dòng ra. Dòng ra từ tụ ny có chiều ngợc
với chiều của nguồn nạp.
Điện trở âm l một đặc tính rất đợc quan tâm của các phần tử mạch điện.
Nó thờng đợc ứng dụng trong việc tạo các mạch có đặc tính gần lý tởng, các

mạch đo lờng chính xác, các bộ dao động

q
q
2

q
q
q
2


1
+
V
-
+
q
q
q

1
V
-
q

a)
Cf
R
ì

=
1
b)
Cf
R
ì
=
1

-16-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

2.1.3.3 Mạch chỉnh lu tích cực
Từ sơ đồ mạch khuếch đại hỗn hợp mô tả ở hình 2-1.5, ta thấy rằng để đổi
dấu hm của bộ khuếch đại dùng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện ta chỉ cần thay
đổi mức của tín hiệu Sign. Điều ny thuận lợi hơn rất nhiều so với các mạch
khuếch đại dùng các phần tử thuần trở, ở đó để thay đổi dấu của hm truyền m
vẫn giữ nguyên độ lớn ta buộc phải thay đổi cả cấu trúc của mạch lẫn quan hệ về
trị số của các phần tử trong mạch (hình 2-1.10). Với một vi phần tử mạch bổ
sung, ta có thể biến đổi mạch khuếch đại hỗn hợp có chuyển mạch tụ điện thnh
một bộ chỉnh lu tích cực hai nửa chu kỳ.

R
A
V
in
in
+
-

R
F
V
out
V
-
+
R
A
F
R
V
out


Hình 2 1.10. Mạch khuếch đại không đảo (a) v đảo (b) dùng điện trở

Hình 2-1.11 mô tả sơ đồ của một mạch chỉnh lu tích cực, nh vậy trong sơ
đồ ny ta dùng điện áp vo V
in
có thể đa qua một mạch so sánh, lm tín hiệu
Sign. Vẫn dựa trên nguyên tắc của mạch khuếch đại hỗn hợp đã đợc mô tả ở
hình 2-1.5, bây giờ ta dùng thêm một mạch so sánh để tạo tín hiệu Sign với quy
ớc khi V
in
0 thì Sign = 0 v ngợc lại khi V
in

0 thì Sign = 1.

-17-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển



Hình 2 - 1.11. Dùng Vin điều khiển Sign để tạo mạch chỉnh lu tích cực.
Với nguyên tắc đó điện áp ra của mạch ở hình 2-1.11 đợc tính nh sau:
- Khi V
in
0 thì Sign = 0,
Do vậy
in
F
A
out
V
C
C
V
ì=
(1.7)
- Khi V
in


0 thì Sign = 1,
Do vậy
in
F

A
out
V
C
C
V
ì=
(1.8)
Kết hợp cả hai điều kiện ta có biểu thức tính điện áp ra của mạch ở Hình 2-
1.11, nh sau:

in
F
A
out
V
C
C
V ì=
(1.9)
Đây chính l biểu thức của một mạch chỉnh lu hai nửa chu kỳ.
2.1.4 Lấy mẫu tín hiệu
2.1.4.1 Dạng tín hiệu lấy mẫu trong kỹ thuật chuyển mạch tụ điện
Trong các sơ đồ mạch sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện, tín hiệu chỉ có
thể xuất hiện ở lối ra của mạch tại những trạng thái nhất định. Ví dụ trờng hợp
-18-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

chuyển mạch ở các trạng thái 1 thì tín hiệu lối ra bằng không (do ngắn mạch

xuống Gnd).



211122
1

2


Hình 2 1.12. Các trạng thái của phép chuyển mạch tụ điện
Dạng tín hiệu trong các thiết bị sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện không
phải l tín hiệu liên tục theo thời gian nh trong các mạch điện tử tơng tự thông
thờng m l tín hiệu gián đoạn, cũng còn đợc gọi l tín hiệu lấy mẫu (sampled
signal). Trong mỗi chip FPAA, ngoi các tụ điện chuyển mạch thực hiện phép lấy
mẫu tín hiệu còn có các khối Sample and hold (S & H) thực hiện vai trò giữ mẫu.
l tín hiệu liên tục theo thời gian (analog)
l tín hiệu gián đoạn theo thời gian (sampled data - lấy mẫu)
trong đó
121

1221

2211

1212

2

Hình 2 1.13. Dạng tín hiệu analog trong FPAA

-19-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

Nếu nh tần số lấy mẫu so với tần số tín hiệu thì dạng tín hiệu lấy mẫu ny
không khác nhiều so với tín hiệu liên tục theo thời gian.
2.1.4.2 Các đặc tính của tín hiệu analog lấy mẫu
Cũng nh các tín hiệu digital, tín hiệu analog lấy mẫu có dạng gián đoạn theo
thời gian, tức l đợc thể hiện thông qua một tập các giá trị rời rạc, tuy nhiên tín
hiệu analog lấy mẫu có thể nhận giá trị bất kỳ, còn tín hiệu digital chỉ nhận các
giá trị theo các mức lợng tử.
Khi thực hiện phép lấy mẫu tín hiệu thì một trong những vấn đề cần phải lu ý
l quan hệ giữa tần số lấy mẫu v tần số tín hiệu. Với phép khôi phục tín hiệu
dạng bậc thang nh ở hình 2-1.13 (sử dụng S & H), thì quan hệ tần số lấy mẫu
bằng hai lần tần số tín hiệu theo nh tiêu chuẩn Nyquist l không thoả đáng.
Nói chung, tần số lấy mẫu cng cao cng tốt nhng phải thoả mãn các rng buộc
về phần cứng: thời gian xác lập của mạch, điện trở của các switch
Theo các ti liệu của Anadigm thì tần số lấy mẫu nên chọn tối thiểu bằng 10
lần tần số tín hiệu để đảm bảo khôi phục đầy đủ thông tin ban đầu của tín hiệu.
-20-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

2.1.4.3 Vấn đề chống trùng phổ v lọc san phẳng tín hiệu
Bất kỳ tín hiệu no đợc lấy mẫu với tần số thấp hơn giới hạn Nyquist của nó
cũng đều có thể bị trùng phổ với một thnh phần tín hiệu có tần số thấp hơn. Để
ngăn ngừa sự trùng phổ, trong các mạch sử dụng tụ điện chuyển mạch thờng có
thêm một bộ lọc thông thấp nhằm loại bỏ thnh phần tần số cao do ảnh hởng
của nhiễu.
Mặt khác, bản chất của tín hiệu trong các hệ chuyển mạch tụ điện l có dạng

bậc thang do quá trình lấy mẫu v duy trì mẫu (Sample-and-Hold). Để cải
thiện đặc tính của tín hiệu ra, ngời ta sử dụng thêm các bộ lọc san phẳng ở cửa
ra của mỗi khối chức năng analog.



Hình 2-1.14. Cấu trục hon chỉnh của một bộ khuếch đại trong FPAA
Hình 2-1.14 mô tả cấu trục hon chỉnh của một bộ khuếch đại gồm một mạch
khuếch đại dùng tụ điện chuyển mạch v hai bộ lọc thông thấp để chống trùng
phổ v san phẳng tín hiệu ra.
-21-

Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển

2.2 Các thế Hệ phát triển của FPAA
2.2.1 FPAA thế hệ thứ nhất - AN10E40
2.2.1.1. Cấu trúc tổng thể của AN10E40
Các chip FPAA thế hệ đầu tiên đợc hãng Anadigmđ chế tạo v tung ra thị
trờng vo tháng 9 năm 2000, có ký hiệu AN10E40. Chip AN10E40 đợc đóng
vỏ kiểu QFP (Quad Flat Pack), có 80 chân, kích thớc 14 x 14mm, lm việc với
nguồn cung cấp DC 5V. Về mặt cấu trúc, mỗi chip AN10E40 chứa một ma trận
gồm 20 khối analog có thể thay đổi đợc cấu hình, gọi l CAB (Configurable
Analog Block).
CAB
CAB
CAB
CAB
CAB
CAB
CAB

CAB
CAB
CAB
CAB
CAB
CAB
CAB
CAB
CAB
CAB
CAB
CAB
CAB
I
O
X
Z Y
I
O
X
ZY
I
O
X
ZY
I
O
X
ZY
I

O
X
Z Y
I
O
X
Z
Y
I
O
X
Z
Y
I
O
X
Z
Y
I
O
X
Z
Y
I
O
Z
X
Y
I
O

Z
X
Y
I
O
Z
X
Y
I
O
Z
X
Y
V
ref
Configuration Data shift Register
Config.Logic
C
A
B
Hình 2-2.1. Cấu trúc tổng thể của AN10E40