Luận văn tốt nghiệp đo lực và ứng xuất

Đo lực và ứng suất

Trang

1

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

XỬ LÝ TÍN HIỆN ĐIỆN TỬ BỘ CẢM BIẾN
ĐO LỰC VÀ ỨNG XUẤT

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

2

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 ngoài 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.

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

PHẦN A

3

DẪN NHẬP

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 hoàn toàn. 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 toán và lập trình trên phần mềm Pascal so với xử lý và vi
điều khiển.

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

4

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 hoàn 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

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

5

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 ngoài 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.
Winding Cord

a. Dạng lưới phẳng

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

b. Dạng ống trụ


Đo lực và ứng suất

Trang

6

1. Hệ số miếng đo (Gage factor):
Sự thay đổi điện trở của một cấu kiện có điện trở biến đổi được tùy thuộc
vào quan hệ sau:
R
L
F
F.E
R
L

Với R: là điện trở ban đầu của cấu kiện.
R
: độ
biến
đổi
điện
trở
R

L: chiều dài ban đầu của cấu kiện.
F : hệ số miếng đo.
Một miếng đo lý tưởng phải có một điện trở rất lớn, một hệ số đo cực
đại và một mức giới hạn đàn hồi cao, đồng thời lại khơng bị ảnh hưởng nhiệt
độ cao tác động. Thêm vào đó, hệ số miếng đo ln ln bất biến cho dù mức
biến dạng có lớn đến đâu đi chăng nữa.
Để miếng đo có thể hoạt động một cách thích hợp theo sức căng cũng
như sức nén, sợi điện trở phải càng mỏng để cho lớp keo có thể truyền hồn
tồn mức biến dạng của bộ phận sang miếng đo.
2. Chất keo dán:
a) Keo cyanoacrylate: Rất thực dụng cho việc áp dụng bình thường
trong thời gian ngắn, nhiệt độ áp dụng dưới 100 0C. Sẽ khơ cứng trong vài
giây dưới tác dụng của sức ép.
b) Keo epoxy: Rất có hiệu quả, ổn định trong thời gian lâu với nhiệt
độ đến 300oc.
c) Keo gốm: Khó áp dụng hơn vì cần thiết bị đặt biệt có vẻ mong
manh yếu ớt, khơng cho phép dùng với những biến dạng lớn.,sử dụng được
đến 600oc.
d) Hàn: Đây là cách thức thực tế nhất để dùng ở nhiệt độ cao cho
các miếng đo trong vỏ bọc kim loại rất đặc.
Cần chú ý là bề mặt để dán phải được tẩy sạch dầu mỡ và sau đó được

trung hòa bằng hóa chất. Để tạo ra bề mặt có tính chất lý tưởng đối với loại keo
này, bề mặt phải được làm sạch vết rỉ để tạo ra bề mặt nhẵn nhưng khơng q
bóng.
IV.
MẠCH CẦU WHEATSTONE:
Cầu Wheatstone là mạch cầu được chọn nhiều nhất trong việc đo những
biến dạng điện trở nhỏ (tối đa 10%) như trong việc dùng các miếng đo biến
dạng.
1. Ngun lý:

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


o lc v ng sut

Trang

7

i cu Wheatstone ca hỡnh 1:
R 2

R 1

m
Em

Zm
R 4

R 3

V

Tớn hiu u ra Em qua thitHbỡ no
h 1 vi
: M atr
ùc h khỏng
c a u W hZe ma :ts to n e
R: in tr danh ngha ban u ca cỏc in tr R 1, R2, R3 & R4 (thng l
Em

V

R1 R2 R3 R4



(1)
R R1
R2
R3
R4

4 1

Zm


R

: Bieỏn
ủoồi
ủụnvũcuỷa
ủieọn
trụỷ.
R

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 Zm 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:
V R1 R2 R3 R4
2



4
R2
R3
R4
R1

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.
Em

2. Cõn bng ban u:

R 1

R 2
R b
R a

R 4

R 3

Em

SVTH :H THANH LM - PHM TRNG QUNH
M a ùc h c a u c a õn b a ốn g b a n ủ a u

V


Đo lực và ứng suất

Trang

8

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, Rb là một thế kế nhiều vòng. Trong phần lớn thường sử dụng R a=20k,

Rb=40k 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).

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

9

Active
A
R1

Dumm
D

R2

R3

R4

Mạch cânV bằng nhiệt độ.
Miếng đo D cũng có cùng tính chất như miếng đo A và cũng được dán lên
khối vật liệu; trong khi dán các miếng đo, khối vật liệu thử nghiệm này khơng
bị chịu một lực tác động nào. Ngồi ra 2 miếng đo A&D nên được đặt gần với
nhau càng tốt; tất cả sự thay đổi nhiệt độ chung cả hai miếng đo này sẽ được
triệt tiêu và nó sẽ tự cân bằng nhiệt độ.
b) Sự kết hợp các miếng đo:

R 1

R 4

R 2
E
R 3

Cầu Wheatstone cho phép
kết hợp nhiều miếng đo hữu cơng. Hình trên cho
V
thấy bốn miếng đo được dán lên thanh mẫu. Khi thanh mẫu bị kéo ra khỏi bởi
lực P, những biến dạng tương tự sẽ là:

P
A.E
Và 2  4   .
: hệ số Poisson.
A: tiết diện ngang.
E: Modun đàn hồi.
Bốn miếng đo như vậy tạo thành cầu Wheatstone nên điện áp ở đầu ra sẽ là:

 1  2  

E EmK  21   .
K

VF
(xemlạicác
biểu
thức
1& 2)
4

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

10

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.

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

11

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. Ngoài 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):
D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0
D 0 (P IN 2 )

Có địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản của máy in=378H.

 Thanh ghi trạng thái (Status register).(chỉ đọc):
D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

(P IN 3 )

D2
D3

(P IN 4 )
(P IN 5 )

D4

(P IN 6 )

D5

(P IN 7 )

(P IN 8 )

D6
D7

(P IN 9 )

D0

ER R OR

(P IN 1 5 )

SL C T

(P IN 1 3 )

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNHA
2

D1

1

PE

C K
B U SY

(P IN 1 2 )

(P IN 1 0 )
(P IN 1 1 )


Đo lực và ứng suất

Trang

12

D0,D1,D2: không sử dụng (thường để ở mức [ 1])
Có địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản +1=379H.
 Thanh ghi điều khiển :
D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0
STR O B E

A F
IN IT

(P IN 1 )

(P IN 4 )
(P IN 1 6 )

S L C T IN

(P IN 1 7 )

IR Q

D5,D6,D7: không sử dụng(thường để ở mức [ 1]).
Địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản + 2=37AH.

Chân
1
2
3
4

Tín hiệu
STR
D0
D1
D2

14

C O NNE C TO R D B 25

1

13

25

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-D7 không
phải là đường dẫn 2 chiều trong tất cả các loại máy tính, nên sau đây ta sẽ thấy
là D0-D7 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:

Môtả
Mức tín hiệu thấp truyền dữ liệu tới máy in.
Bit dữ liệu D0.
Bit dữ liệu D1
Bit dữ liệu D2.

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

13

5
D3
Bit dữ liệu D3.
6
D4
Bit dữ liệu D4.
7
D5
Bit dữ liệu D5.
8
D6
Bit dữ liệu D6.
9
D7
Bit dữ liệu D7.
10
ACK
Mức thấp chỉ rằng máy in đã nhận 1 ký tự.
11
BUSY

12
PE
Báo hết giấy.
13
SLCT
Báo lựa chọn máy in.
14
AF
Tự nạp giấy.
15
ERROR
Báo lỗi máy in.
16
INIT
Reset máy in.
17
SCLTIN
Chọn máy in.
18
18-25
GND Đất.
II.
KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI ADC – KHẢO SÁT ADC ICL 7109:
A. 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
hoàn toàn. Đối với phần lớn mạch đổi, thời gian này gọi là nghịch đảo của tốc
độ đổi, nếu không có thêm các trì hoãn 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:

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

V

a

Trang

Ñ i e än a ùp
t ö ô n g t ö ï v a øo

M a ïc h
t a ïo m a õ
so á

Ñ i e än a ùp v a øo V

14

M a õs o ár a

R

Do đó nhiệm vụ của mạch tạo ra mã số và mạch điều khiển logic là thử
một bộ hệ số nhị phân ai sao cho hiệu số điện áp vào chưa biết Va và trị nguyên
lượng tử hóa sau cùng nhỏ hơn 1 LSB.
111
110
101
100
011
010

T ö ô n g t ö ï v a øo

001
000
1 /2 L S B

1 2

3

5

4

6

7

V

FS

+ 1 /2 L S B

- 1 /2 L S B

Chuyển đổi điện áp tương tự liên tục sang mã nhị phân rời rạc:
n
1
(Va  VFS .  ai .2 i )  LSB
2

i 1

V

a

Ñ i e än a ùp
t ö ô n g t ö ï v a øo
s o s a ùn h

Ñ i e än a ùp m a ãu V

M a ïc h
t a ïo m a õ
so á

R

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

M a õs o ár a


Đo lực và ứng suất

Trang

15

Sự khác nhau giữa các mạch đổi là cách thức thay đổi điện áp mẫu V R để

xác định hệ số nhị phân ai.
Điện áp tương tự chưa biết là Va và điện áp chuẩn là VR được nối ở hai
ngõ vào của mạch so sánh. Khi VR 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.

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

16

b. Mạch ADC dùng điện áp mẫu VR hình nấc thang:
 Dạng mạch cơ bản:
V

-

(+)
a

V = V
R

+

R

S

D A C

FF

Q

D A C n b it

Q

EO C
M aõ
s o ár a

C K x u n g ñ o àn g h o à
t a àn s o á f c

M a ïc h ñ e ám
n b it

STA R T
d o ác l e ân
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.

t

V = V
R

t
D A C

V

R

( t)

t

Tc

T h ô øi g i a n c h u y e ån ñ o åi

t
K e át th u ùc
c h u y e ån ñ o åi

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

17

 Mạch ADC dùng mạch đếm lên xuống:
V

-

(+)
a

V = V
R

+
D A C

D A C n b it
M a õs o á
ra
C o u n te r
U p /D o w n

C o n tr o l L i g i c

V a ( t)

CK

VR
K h o ân g th a ây ñ o åi k òp s o
v ô ùi V a ( t)

VR

Nếu ngã ra của mạch so sánh cho thấy V Rmạch đếm lên, còn ngược lại sẽ được điều khiển đếm xuống. Nếu điện áp V a
không đổi, VR sẽ tự dao động xung quanh Va với 2 trị số khác nhau 1 LSB. Khi
Va thay đổi chậm, VR theo kịp Va 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, VR sẽ không
theo kịp Va 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.

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

V a ( t)

-

V = V
R

18

V c

+
D A C

D A C n b it
M a õs o á
ra

CK

SA R

Mạch ghi chuyển đặc biệt được gọi là mạch ghiS lấy
T A R gần
T 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 VR>Va (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 VRbằng 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 Va gần VR 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.
V a ( t)
V

R

+
-

V c ( t)
1

V c 2( t )

Q

S
R

FF

EO C

Q

+
M a ïc h ta ïo
tí n h i e äu
d o ác l e ân

CK

M a ïc h ñ e ám
n b it
M a õs o á

ra
Ban đầu:
Mạch so sánh SS1 có V(-)=Va >V(+)=VSoffset
T A
R T ngã ra của SS1 là VC1=[0].
Mạch so sánh SS1 có V(+)=Voffset < V(-)=0  ngã ra của SS1 là VC2=[0].
 Khi cho xung START đặt vào mạch đếm n bit về 0 và khởi động mạch tạo
tín hiệu dốc lên, VR từ giá trị hơi âm tăng đến khi đường dốc cắt trục 0V.

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

19

Trong khoảng thời gian t1 – t2.
Mạch SS2: V(+)=VR > V(-)=0  VC2=[1].
Mạch SS1: V(+)=VR < V(-)=Va  VC1=[0].
Tại FF S=0

Q=0


R=START =1

Q=1.

Tại cổng AND
Q =1
 Đưa xung CK vào bộ đếm.
VC2
STA R T

C

t
V a ,V

V

R

V o ff s e t

t

V c1
V c

R

R

+

R O Ån ñ òn h v a øo

h ig h

t
h ig h

2

t

CK

t

EOC

t
Tc

H ìn h a.

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

V r ( t)

H ìn h b .


Đo lực và ứng suất

Trang

20

 Khi VR>Va:
Mạch SS1: VR=V(+) > V(-)=Va  VC1=[1].
Tại FF:
S=VC1=[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.
SI

C

V a<0
V

S1

R
S2

R

-

V i

+
M a ïc h t í c h
p h a ân
M a ïc h l o g i c
ñ i e àu k h i e ån

-

V c

+
M a ïc h s o s a ùn h
ST A R T

EOC
M a ïc h
ñ e ám n b i t

Ñ e äm n g o õ r a
M a õs o ár a

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

CK


Đo lực và ứng suất

Trang

21

STA R T

V Im ax

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

V c

t1

EOC

t2
t
Tc

Mạch điều khiển logic sau khi nhận xung START sẽ mở S I, đóng S1 và mở
t vào mạch tích phân
S2. Khi chuyển mạch S1 đóng đưa tín hiệu Va (giả sử âm)
để lấy tích phân theo Va. Khi đó ngã ra mạch tích phân sẽ là:

VI (t) 

1 t
. Va(t).dt
RC 0

Giả
sử
Va(t) Va thaổi
chậm.
Va
V I (t) 
.t (Va  0)
RC
 VI(t) =V(-)SS >0. Vì thế ngã ra của mạch so sánh có VC=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 S1, đóng S2. Chuyển mạch S2 đóng đưa VR vào mạch
tính phân để lấy tích phân theo VR (VR>0). Vì thế ngã ra VI giảm từ VImax về 0.
- Giá trị VImax khơng đổi trong suốt 2 giai đoạn lấy tích phân t1,t2.
t

t t

1
1
2
1
1

. Va. .dt 
. 
VR .dt
RC 
RC
0
0

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:

Va .t1 VR .t2
Va
VR



t2 N
N
 n  Va VR . n
t1 2
2
n

N :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG
2 QUỲNH
tSVTH
 (với
N là
số
đếm
saucùng);
t 
(trong
mạchđếm
từ0 đến
giá
tròtràn
khung)
2

fc

1

fc


Đo lực và ứng suất

Trang

22

-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 toàn khung (1-2 -n) và chuyển tiếp cuối xảy ra 0_+ tràn
khung (1-3.2-n).

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH


Đo lực và ứng suất

Trang

B.Khảo sát ADC ICL 7109:
Sơ đồ chân:
IC L 7 1 0 9
( P D IP )
T O P V IE W

P IN O U T S

G N D

1

40

V+

S TATU S

2

39

R E F IN -

PO L

3

38

R EF C AP -

O R

4

37

R EF C AP +

B12

5

36

R E F IN +

B11

6

35

IN H I

B10

7

34

IN L O

B9

8

33

C O MM O N

B8

9

32

IN T

B7

10

31

AZ

B6

11

30

IC L
7109

B5

12

29

BU F
R EF O U T

B4

13

28

V-

B3

14

27

SEN D

B2

15

26

R U N /H O L D

B1

16

25

BU F O SC O U T

TEST

17

24

O SC SEL

L .B E N

18

23

O SC O U T

H .B E N

19

22

O S C IN

C E /L O A D

20

21

M O D E

Các thông số về nhiệt độ:
Họ IC

TẦM NHIỆT ĐỘ HOẠT ĐỘNG

ICL 7109MDL

-550C  +1250C

ICL 7109 IDL

-250C  +850C

ICL 7109CPL

0 +700C

ICL 7109
MDL/883
ICL 7109 IPL

-550C  +1250C
-250C +850C

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

23


Đo lực và ứng suất

Trang

24

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 Vp-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. Ngoài 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. Ngoài ra nó còn có những thông số
khác như: trôi áp thấp hơn 1V/oc, 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
1
2

KÝ HIỆU
GND
STATUS

3

POL

CHỨC NĂNG
Chân Mass
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
Báo cực tính – Mức 1 khi tín hiệu tương tự vào dương

4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

OR
B12
B11
B10
B9
B8
B7

B6
B5
B4
B3
B2

Bit tràn - Mức 1 nếu tràn.
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

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

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


Đo lực và ứng suất
16

B1

17

TEST

18
19
20
21

22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
CHÂN

33
34
35
36
37
38

Trang
Bit 1 - Bit có trọng số nhỏ nhất

25

Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái

Bình thường mức cao. Mức thấp thì tất cả các bit ngõ ra lên cao
dùng cho việc kiểm tra. Nối lên cao nếu không dùng.
LBEN
Chân cho phép xuất byte thấp. Cùng với MODE (Chân 21) mức
thấp và chân CE/LOAD (chân 20) mức thấp sẽ cho phép xuất các
byte thấp từ B1 đến B8.
HBEN
Chân cho phép xuất Byte cao. Kết hợp với chân MODE (21) ở
mức thấp và chân CE/LOAD ở mức thấp sẽ cho phép xuất Byte
cao từ B9  B12 và bit POL/OR.
CE/LOAD
Chân cho phép – Kết hợp với chân MODE (21) mức thấp có tác
dụng điều khiển cho phép ngõ ra. Khi CE/LOAD ở mức cao sẽ
cấm các chân B1 đến B12, POL, OR.
MODE
Khi ngõ vào ở mức thấp – Các chân CE/LOAD, HBEN, LBEN

điều khiển trực tiếp các Byte ngõ ra. Khi được cấp xung – chuẩn
bị hoạt động theo kiểu “handshake”.
Mức cao – Các chân cho phép CE/LOAD, HBEN, LBEN xem
như các ngõ ra và vi mạch hoạt động theo “handshake”
OSC IN
Ngõ vào của dao động
OSC OUT
Ngõ ra của dao động.
OSC SEL
Chọn tần số dao động – Mức cao thì tần số và pha tại OSC IN,
OSC OUT bằng 1/58 tần số tại BUFF OSC OUT.
BUFF OSC Ngõ ra dao động đệm
OUT
RUN/
Ngõ vào mức cao – Biến đổi được thực hiện trong 8192 xung
HOLD
đồng hồ.
Ngõvào mức thấp – Quá trình biến đổi kết thúc
SEND
Ngõ vào – Nối lên +5V nếu không dùng.
VNguồn âm –5V
REF OUT
Điện áp ngõ ra chuẩn =2,8V
BUFFER
Ngõ ra khuếch đại đệm
AUTO
Tự động điều chỉnh mức 0
ZERO
INTEGER- Ngõ ra kết hợp.
ATOR

KÝ HIỆU
CHỨC NĂNG
COMMON
INPUT LO Ngõ vào tương tự
INPUT HI
Ngõ vào tương tự
REF IN +
Điện áp chuẩn dương
REF CAP + Aùp dương trên tụ
REF CAP - Aùp âm trên tụ

SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH