Đề tài ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT

ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT, LUẬN VĂN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT , thuyết minh, động học máy, kết cấu máy, nguyên lý máy, cấu tạo máy, quy trình sản xuất

 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

CHƯƠNG I

 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG

1. 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.

2. 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 đạc 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 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.

3. 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.

   a. Dạng lưới phẳng                               b. Dạng ống trụHệ 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
Với R: là điện trở ban đầu của cấu kiện.

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 không bị ảnh hưởng nhiệt độ cao tác động. Thêm vào đó, hệ số miếng đo luôn luôn 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 hoàn toàn mức biến dạng của bộ phận sang miếng đo.

2. Chất keo dán:

1. Keo cyanoacrylate: Rất thực dụng cho việc áp dụng bình thường trong thời gian ngắn, nhiệt độ áp dụng dưới 100⁰C. Sẽ khô cứng trong vài giây dưới tác dụng của sức ép.

2. Keo epoxy: Rất có hiệu quả, ổn định trong thời gian lâu với nhiệt độ đến 300^oc.

3. Keo gốm: Khó áp dụng hơn vì cần thiết bị đặt biệt có vẻ mong manh yếu ớt, không cho phép dùng với những biến dạng lớn.,sử dụng được đến 600^oc.

4. 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 không quá bóng.

1. 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. Nguyên lý:

Đối cầu Wheatstone của hình 1
Tín hiệu đầu ra E_m qua thiết bị đo với trở kháng Z_m:

R: điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R₁, R₂, R₃ & R₄ (thường là 120W nhưng là 350W cho các bộ biến cảm).

V: điện áp cung cấp cho cầu.

Điện áp cung cấp cho cầu là một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn  định.

Phần lớn Z_m lớn hơn R rất nhiều (ví dụ như:Vôn kế, bộ khuếch đại với liên kết trực tiếp) do đó thì phương trình (1) trở thành:

Từ (2) có nhận xét là: sự thay đổi đơn vị điện trở của 2 điện trở nghịch nhau. Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của mạch đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt.

2. Cân bằng ban đầu:

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=20kW, R_b=40kW 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:

1. 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

                 Mạch cân 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 không bị chịu một lực tác động nào. Ngoài 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.

2. Sự kết hợp các miếng đo:

        Cầu Wheatstone cho phép kết hợp nhiều miếng đo hữu công. Hình trên cho 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:

n: 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:

 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.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 Au. 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.

1. 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):

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 :

D₅,D₆,D₇: 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 chỗ 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. D₀-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:

Chân                 Tín hiệu                                 Môtả             

1                        STR                          Mức tín hiệu thấp truyền dữ liệu tới máy in.

2                        D₀                             Bit dữ liệu D₀.

3                        D₁                             Bit dữ liệu D₁

4                        D₂                                      Bit dữ liệu D₂.

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.

2. KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI ADC – KHẢO SÁT ADC ICL 7109:

1. 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:

1. Độ chính xác bất định do lượng tử hóa:

Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2ⁿ 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).

2. 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.

3. 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):

1. Nguyên tắc mạch ADC:

Mạch biến đổi ADC (Analog Digital Converter) có bộ phận chính là mạch so sánh:

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:

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.

Mạch ADC dùng điện áp mẫu V_R hình nấc thang:

• 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.

3. 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

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.

4. 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 SS₁ có V_(-)=V_a >V₍₊₎=V_offset è ngã ra của SS₁ là V_C1=[0].

Mạch so sánh SS₁ có V₍₊₎=V_offset  < V_(-)=0 è ngã ra của SS₁ 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.

Trong khoảng thời gian t₁ – t₂.

Mạch SS₂: V₍₊₎=V_R > V_(-)=0 è V_C2=[1].

Mạch SS₁: V₍₊₎=V_R < V_(-)=V_a è V_C1=[0].

             R=START =1           Q=1.

Tại cổng AND

• Khi V_R>V_a:

Mạch SS₁: V_R=V₍₊₎ > V_(-)=V_a è V_C1=[1].

Tại FF:            S=V_C1=[1].                            Q=1=EOC

                        R=  hết xung START =[0]   Q=0àĐóng 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).

Mạch điều khiển logic sau khi nhận xung START sẽ mở S_I, đóng S₁ và mở S₂. Khi chuyển mạch S₁ 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 S₁, đóng S₂. Chuyển mạch S­₂ 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 vềGiá trị V_Imax không đổi trong suốt 2 giai đoạn lấy tích phân t₁,t₂.

Giả sử R,C không đổi trong suốt thời gian chuyển đổi.

3. Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC:
4. 
   Độ chính xác bất định do lượng tử hóa:

-Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2ⁿ 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).

B.Khảo sát ADC ICL 7109:

Các thông số về nhiệt độ:

Họ IC	TẦM NHIỆT ĐỘ HOẠT ĐỘNG
ICL 7109MDL	-550C à +1250C
ICL 7109 IDL	-250C à +850C
ICL 7109CPL	0 à+700C
ICL 7109 MDL/883	-550C à +1250C
ICL 7109 IPL	-250C à+850C

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 mV_p-p.

+ Dòng ngõ vào khoảng 1pA.

+Hoạt động có thể lên 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 1mV/^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	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 16	B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1	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 1 - Bit có trọng số nhỏ nhất	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 Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
17	TEST	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.
18	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.
19	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 à B12 và bit POL/OR.
20	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.
21	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”
22 23	OSC IN OSC OUT	Ngõ vào của dao động Ngõ ra của dao động.
24	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.
25	BUFF OSC OUT	Ngõ ra dao động đệm
26	RUN/ HOLD	Ngõ vào mức cao – Biến đổi được thực hiện trong 8192 xung đồng hồ. Ngõvào mức thấp – Quá trình biến đổi kết thúc
27	SEND	Ngõ vào – Nối lên +5V nếu không dùng.
28	V-	Nguồn âm –5V
29	REF OUT	Điện áp ngõ ra chuẩn =2,8V
30	BUFFER	Ngõ ra khuếch đại đệm
31	AUTO ZERO	Tự động điều chỉnh mức 0
32	INTEGER- ATOR	Ngõ ra kết hợp.
CHÂN	KÝ HIỆU	CHỨC NĂNG
33	COMMON
34	INPUT LO	Ngõ vào tương tự
35	INPUT HI	Ngõ vào tương tự
36	REF IN +	Điện áp chuẩn dương
37	REF CAP +	Ap dương trên tụ
38	REF CAP -	Ap âm trên tụ
39	REF IN -	Điện áp chuẩn âm.
40	V+	Nguồn cung cấp dương = +5V

CHỨC NĂNG CỤ THỂ CỦA CÁC CHÂN ĐIỀU KHIỂN:

• NGÕ VÀO MODE: Ngõ vào Mode dùng điều khiển trạng thái biến đổi của ngõ ra. khi chân Mode ở mức thấp thì các ngõ ra dữ liệu được truy xuất trực tiếp thông qua sự điều khiển của chân ENABLE và sự điều khiển bên trong vi mạch. Khi ngõ vào Mode được cấp xung thì sự chuyển đổi theo kiểu UART sau đó trở về kiểu chuyển đổi trực tiếp. Còn khi ngõ vào Mode ở mức cao dữ liệu ngõ ra chuyển đổi theo kiểu “HANDSHAKE”.
• NGÕ RA STATUS:

Trong suốt chu kỳ biến đổi, ngõ ra STATUS lên mức cao từ lúc bắt đầu chuyển đổi và xuống mức thấp lúc nửa chu kì xung đồng hồ cuối cùng sau khi dữ liệu biến đổi được chốt lại.

• NGÕ VÀO RUN/HOLD:

Khi ngõ vào RUN /HOLD ở mức cao, vi mạch sẽ tiếp tục thực hiện chu kỳ biến đổi và cập nhật ngõ ra chốt suốt giai đoạn biến đổi. Khi hoạt động ở mức nàymột chu kỳ biến đổi sẽ có 8192 xung.

Khi RUN / HOLD ở mức thấp vi mạch lập tức biến đổi và nhảy về chế độ AUTO-ZERO. Đặc tính này dùng để cắt ngang thời gian biến đổi khi mức 0 tác động. Lúc này vi mạch chỉ chờ cho đến khi RUN/HOLD  lại lên mức cao. khi RUN/HOLD lên mức cao lại thì sự biến đổi bắt đầu sau 7 chu kỳ xung.

Sơ đồ cấu trúc bên  trong của ICL 7109: