Báo cáo khoa học: "Ph-ơng pháp nâng cao độ tin cậy và khả năng chống nhiễu khi thiết kế mạch điện tử sử dụng kỹ thuật vi xử lý" pdf

8 500 1
Báo cáo khoa học: "Ph-ơng pháp nâng cao độ tin cậy và khả năng chống nhiễu khi thiết kế mạch điện tử sử dụng kỹ thuật vi xử lý" pdf

Đang tải... (xem toàn văn)

Thông tin tài liệu

Phơng pháp nâng cao độ tin cậy v khả năng chống nhiễu khi thiết kế mạch điện tử sử dụng kỹ thuật vi xử lý TS. nguyễn thanh hải Bộ môn Điều khiển học - ĐH GTVT Tóm tắt: Trên thị trờng Việt Nam hiện nay đã xuất hiện một loạt các sản phẩm sử dụng vi xử lý điều khiển trong lĩnh vực tự động hoá do các nh chế tạo trong nớc sản xuất. Phần lớn các sản phẩm ny đều đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ của lĩnh vực ứng dụng, nhng để các sản phẩm đáp ứng đợc yêu cầu trong sản xuất ngoi yếu tố công nghệ còn phải đáp ứng đợc các yêu cầu về độ tin cậy, độ bền v khả năng chống nhiễu cao. Summary: Nowadays, products of microcontrollers are used popularly in the field of automation. The article presents some methods of promoting stability and reducing distortion. Trong phạm vi bài báo này phân tích một vài phơng pháp để nâng cao độ tin cậy và khả năng chống nhiễu khi thiết kế mạch điện tử sử dụng kỹ thuật vi xử lý. Modul khuyếch đại Analog Modul biến đôi BUS Modul Vi sử lý BUS Bàn phím Modul hiển thị Modul công suất Modul nguồn Đầu vào Digital Đầu vào Nguồn cấp 100-260VAC công suất Nguồn khối DVCC AVCC AVCC AVCC DVCC DVC C DVC C ADC Analog Hình 1. Trong hình (1) mô tả sơ đồ khối của mạch điện tử thờng dùng cho các hệ thống đo lờng và điều khiển sử dụng vi xử lý. Mạch analog có chức năng khuyếch đại các tín hiệu từ các đầu đo (Sensor), phần đầu vào của mạch này thờng có tín hiệu nhỏ từ 1 mV ữ 100 mV. Trong trờng hợp xuất hiện nhiễu vào phần này có thể gây ra sai số lớn của hệ thống đo. Thông qua khối biển đổi ADC các tín hiệu dạng tơng tự sẽ đợc chuyển đổi thành dạng số truyền về khối vi xử lý. Khối hiển thị và bàn phím có chức năng giao tiếp với ngời sử dụng thiết bị. Khối công suất ra có thể dùng để điều khiển các cơ cấu chấp hành bên ngoài. Khối nguồn có chức năng cấp nguồn cho các khối khác để tăng khả năng chống nhiễu thờng đợc thiết kế thành 3 phần: - Phần cấp nguồn cho mạch Analog. - Phần cấp nguồn cho mạch Digital. - Phần cấp nguồn cho mạch công suất ra. Trong các mạch điện tử có yếu tố chính gây nhiễu chính là sự gây nhiễu thông qua mạch cấp nguồn, nhiễu do trờng điện từ của các thiết bị bên ngoài và nhiễu phát sinh bản thân từ trong mạch thiết kế. Các yếu tố nhiễu này đều có thể gây cho các mạch lozic số và khuyếch đại tơng tự không làm việc theo đúng thiết kế của nhà sản xuất dẫn đến hệ thống làm việc sai, thậm trí dừng toàn bộ hệ thống. Nhiễu v phơng pháp chống nhiễu qua đờng cấp nguồn Theo các phơng pháp thiết kế nguồn truyền thống, mạch nguồn thờng có các thành phần chính nh sau: - Biến áp nguồn 50/60 Hz có tác dụng hạ điện áp từ 220 VAC (hoặc 110 VAC) thành các nguồn điện áp thấp từ 8 đến 18 VAC - Cầu nắn Diode chuyển thành 1 chiều - Tụ lọc các sóng hài nguồn xoay chiều. - Mạch ổn định điện áp tạo ra các điện áp chuẩn 5 VDC cho khối lozic, 12 VDC cho các khối khuyếch đại thuật toán và biến đổi ADC. Nguồn điện thiết kế theo nguyên lý này có các nhợc điểm là hiệu suất sử dụng thấp, do tần số sóng hài xoay chiều thấp (< 100 Hz) nên việc lọc nguồn khó khăn gây nhiễu cho khối lozic và khuyếch đại, không có khả năng ổn định điện áp khi thay đổi điện áp nguồn lớn, mặt khác do kích thớc biến áp nguồn lớn nên chiếm không gian của mạch. Vì vậy trong các thiết kế nguồn hiện đại thờng dùng loại nguồn ổn áp theo nguyên lý điều chế độ rộng xung (Switching Power Suply). Trên hình 2 trình bày sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của mạch nguồn điều chế độ rông xung. R1 Hình 2. Trớc tiên nguồn xoay chiều điện áp biến đổi từ 100 ữ 260 VAC đợc nắn thành thành phần 1 chiều qua cầu diode. Trong mạch có khối tạo dao động tần số 52 kHz, qua mạch điều chế độ rộng xung điều khiển tranzitor trờng MTP 4N50. Giá trị của điện áp 1 chiều đầu ra phụ thuộc vào biên độ xung và thời gian tồn tại xung trong một chu kỳ điều chế. Nguyên lý của việc ổn định điện áp có thể mô tả nh sau: khi điện áp nguồn vào giảm dẫn đến biên độ xung trên điện trở phản hồi R1 giảm, bộ xử lý sẽ tự động tăng độ rộng của xung bù lại với sự giảm của điện áp nguồn. Ngợc lại khi điện áp nguồn tăng, bộ xử lý sẽ tự động giảm độ rộng xung điều chế kết quả điện áp ra tải không thay đổi khi biến đổi điện áp nguồn vào trong dải rộng. Trong các mạch thực tế ngời ta còn thiết kế thêm mạch phản hồi điện áp từ đầu ra để đáp ứng trong trờng hợp tải đầu ra thay đổi lớn. Mạch nguồn thiết kế theo nguyên lý này có khả năng chống nhiễu tốt hơn bởi các lý do sau: - Khả năng ổn định nguồn tốt, ngay cả trờng hợp tụt điện áp đột biến. - Loại trừ hoàn toàn sóng hài bậc thấp (< 100 Hz), nên khả năng lọc nguồn đễ dàng hơn. Nhiễu trờng điện từ và phơng pháp chống nhiễu Trong tự nhiên có nhiều nguồn phát nhiễu trờng điện từ dới dạng sóng vô tuyến nh đài phát thanh truyền hình, sóng điện thoại di động, máy tính, các motor điện trong môi trờng công nghiệp Quan hệ giữa cờng độ điện từ và công suất phát thể hiện ở công thức sau: ) cm mW (P4,61) m V (E 2 T = (1) trong đó: E - cờng độ điện từ tại điểm phát tính bằng Volt/m; P T - công suất phát tính bằng mili Watt/cm 2 . Từ công thức này ta tính cờng độ điện từ tại điểm cách xa điểm phát d mét theo công thức xấp xỷ: d G.P 5,5) m V (E AT (2) trong đó: E - cờng độ điện từ tính bằng Volt/m; P T - công suất phát tính bằng mili Watt/cm 2 ; G A - hệ số khuyếch đại Anten; d - khoảng cách từ nguồn phát đến điểm đo tính bằng m. Ví dụ có nguồn phát 1 W, cách đó 1 m sẽ tồn tại cờng độ điện từ là 5,5 V/m. Với đài phát thanh phát sóng với công suất 10 kW thì cách đó 1 kW sẽ tồn tại cờng độ điện từ là 0,6 V/m. Với các mạch Analog tác động nhiễu điện từ sẽ lớn hơn mạch Digital, vì đầu vào thờng là dạng tính hiệu nhỏ. Hình vẽ dới đây mô tả tác động gây nhiễu của trờng điện từ vào mạch điện tử: Hình 3. Dây dẫn dài khi thiết kế mạch in sẽ có tác dụng nh anten nhận nhiễu từ trờng từ đầu vào mạch khuyếch đại, sẽ tạo ra đầu ra một dạng tín hiệu lớn nh hình vẽ 3. Dới đây minh hoạ một ví dụ khác mô tả xuất hiện nhiễu vào đờng cấp nguồn: Hình 4. Để giảm bớt nhiễu trong trờng hợp này ta có thể thực hiện nh sau: - Giảm nhỏ tối thiểu chiều dài của đờng mạch in khi thiết kế. - Tăng cờng các tụ lọc tần cao (0,1 F) giữa đờng đất và đờng nguồn. Các tụ lọc này có tác dụng ngắn mạch các tín hiệu nhiễu khi chạy dài trên các đờng đất và nguồn. - Bọc kim loại chống nhiễu cho thiết bị, nối trực tiếp tấm vỏ này xuống đờng tiếp địa. Việc chống nhiễu từ trờng sử dụng vỏ bọc kim loại dựa trên nguyên lý sự phản xạ sóng từ trờng khi va vào vật thể kim loại. Sóng xuyên qua Vùng hấp thu Sóng phản xạ Vỏ bọc kim loại Sóng tới Hình 5. Để đánh giá hiệu quả của vỏ bọc kim loại trong việc chống nhiễu trờng điện từ, ta cần tính đợc độ suy giảm của cờng độ điện từ giữa sóng tới và sóng xuyên qua. Độ suy giảm này là kết quả của sự phản xạ sóng tới trên bề mặt kim loại nên đợc gọi là độ suy giảm phản xạ. Đối với trờng điện, độ suy giảm phản xạ phụ thuộc vào tần số của nguồn phát nhiệt và tính chất của vật liệu làm vỏ bọc kim loại: += 23 r r 10e rf log322)dB(R (3) trong đó: r - hệ số truyền dẫn tơng đối của vỏ bọc kim loại; r - hệ số từ thẩm tơng đối của vỏ bọc kim loại; f - tần số của nguồn phát nhiễu; r - khoảng cách đến nguồn nhiễu. Tơng tự đối với trờng từ, độ suy giảm phản xạ phụ thuộc vào tần số của nguồn phát nhiệt và tính chất của vật liêu làm vỏ bọc kim loại: += r r 2 10m fr log6.14)dB(R (4) Khi khoảng cách đến điểm phát nhiễu lớn (r > /2) độ suy giảm phản xạ của trờng điện từ đợc tính theo công thức: += f log168)dB(R r r 10pw (5) Khi sóng điện từ đi xuyên vào trong vỏ kim loại, tiềp tục bị hấp thu một phần năng lợng nên cờng độ sóng khi đi ra ngoài tiếp tục bị suy giảm. Độ suy giảm hấp thụ đợc tính theo công thức: ft34.3)dB(A rr = (6) Trong bảng sau thể hiện các giá trị của độ truyền dẫn và độ từ thẩm phụ thuộc vào loại vật liệu: Loại vật liệu Cu 1 1 Al 1 0,61 Thép 0,1 1000 Căn cứ vào các công thức từ (1) đến (6) ta có lựa chọn đợc loại vật liệu và chiều dầy của nó để hạn chế đợc nhiễu từ trờng ứng với các nguồn phát nhiễu khác nhau. Nhiễu trong nội bộ mạch điện thiết kế Nh ở phần đầu đã giới thiệu, trong một mạch điện hoàn chỉnh thờng có khối modul khác nhau. Phụ thuộc vào tính năng của từng modul, chúng thờng tiêu thụ lợng điện năng khác nhau. Mặt khác các khối công suất ra và lozic thờng có mạch dao động khi làm việc tạo ra các tín hiệu nhiễu trên các đờng mạch in nguồn cấp (đờng cấp nguồn dơng VCC và đất GND). Các tín hiệu nhiễu này có thể ảnh hởng trực tiếp đến các bộ khuyếch đại Analog hoặc bộ biến đổi ADC. Ngoài ra trong khối công suất có thể tạo ra nhiễu từ trờng, trong khoảng cách gần loại nhiễu này rất khó loại trừ bằng phơng pháp vỏ bọc kim loại, nhiều trờng hợp loại nhiễu này làm dừng hoạt động của khối vi xử lý. Việc thiết kế mạch in và bố trí không gian sắp xếp các modul chức năng hợp lý có ý nghĩa quyết định tới việc loại trừ nhiễu trong trong hợp này. Để tránh trờng hợp các khối modul bị ảnh hỡng nhiễu sang nhau thông qua các đờng dây nguồn dùng chung, khi thiết kế ngời ta thờng tuân theo quy tắc nối đờng đất nguồn theo dạng hình sao ngay tại đầu nguồn. Đồng thời các đờng dây nguồn của các khối modul khác nhau đợc tách rời nhau khi đi trên bo mạch in chính. Trên hình (6) thể một nguyên tắc điển hình nối đất hình sao khi thiết kế mạch in. Trên đây đã trình bày một vài phơng pháp nâng cao việc chống nhiễu cho các mạch điện tử, đối với hệ thống có độ tin cậy cao đòi hỏi khả năng tự phục hồi sau khi có tác động nhiễu. Đối với các họ linh kiện lozic và khuyếch đại thuật toán thông thờng, luôn luôn có khả năng tự phục hồi vì tính năng hoạt động chỉ phụ thuộc vào các thông số hiện tại (dòng diện, điện áp, nguồn cấp, dạng tín hiệu vào ). Nhng đối với các họ vi xử lý có lập trình thì hoàn toàn không nh vậy, trong rất nhiều trờng hợp nhiễu tác động có thể làm cho con trỏ chơng trình nhảy sang một đoạn lệnh khác dẫn đến chơng trình không hoạt động đúng, hoặc hoàn toàn bị treo chơng trình. Trong trờng hợp này để vi xử lý có thể hoạt động trở lại là phải tạo ra một xung Reset bên ngoài để khởi tạo cho vi xử lý. Hình 6. Hình (7) thể hiện mạch tạo xung Reset để khởi tạo cho vi xử lý họ 89C51 khi bật điện lần đầu. Nguyên lý mạch hoạt động nh sau: Trớc khi cấp nguồn điện áp trên tụ bằng 0 V, sau khi có nguồn cấp tụ đợc nạp với hằng số thời gian RC = . Khi tụ đang đợc nạp một điện áp dơng cấp cho chân Reset của vi xử lý, trong thời gian này vi xử lý đợc khởi tạo. Khi tụ đợc nạp đầy, điện áp trên chân reset giảm xuống 0, vi xử lý bắt đầu hoạt động theo chơng trình đã đợc lập trình sẵn. Giả sử khi vi xử lý đang hoạt động nguồn điện áp cấp cho vi xử lý bị tụt bất thình lình, xung áp này làm vi xử lý ngừng hoạt động. Trong khi đó tụ điện trong mạch reset cha kịp xả, vì vậy khi điện nguồn nâng lên đủ không có xung reset để khởi tạo cho vi xử lý hoạt động trở lại. Hình 7. Vấn đề nằm ở chỗ ta luôn phải giám sát đợc nguy cơ thay đổi điện áp nguồn xuống dới mức cho phép làm vi xử lý không hoạt động đợc, vào thời điểm này cần tạo một xung reset để hệ thống làm việc trở lại. Trên thị trờng hiện tại có những linh kiện có chức năng này ví dụ nh TLC 1232 hoặc TC1232. Ngoài chức năng trên IC này còn có tác dụng giám sát (Watchdog) xem vi xử lý thực sự đang chạy đúng chơng trình hay không bằng cách sau khoảng thời gian khoảng 100 ms kiểm tra xem có xung từ vi xử lý đến chân 7 hay không. Trong trờng hợp ngợc lại sẽ tạo ra xung reset cho vi xử lý. Nh vậ y tron g chơn g trình vi xử l ý phải l ậ p m ộ t đo ạ n mã lệnh tron g khoản g thời g ian < 100 ms điều khiển xung ra cổng port nối với chân 7 của IC TC1232. Sơ đồ kết nối giữa vi xử lý và IC TC1232 đợc trình bày ở hình 8. Hình 8. Hiện tại có một loại các họ vi xử lý đã tích hợp khả năng của IC TC1232 vào trong vi xử lý, vì vậy sẽ làm giảm các linh kiện trên mạch. Kết luận Qua những phân tích ở phần trên, ta có thể rút ra đợc các kết luận sau: - Công việc thiết kế mạch in và bố trí không gian các khối chức năng khác nhau trên mạch ảnh hởng đáng kể đến khả năng chông nhiễu trong nội bộ. - Sử dụng nguồn cấp ổn dịnh theo nguyên lý điều chế độ rộng xung nâng cao việc chống nhiễu qua đờng nguồn. - Chống nhiễu do trờng điện từ có thể dùng phơng pháp vỏ bọc kim loại. - Việc sử dụng họ linh kiện theo dõi nguồn cấp và sự hoạt động của vi xử lý vào mạch reset làm tăng khả năng tự phục hồi sau khi có tác động nhiễu của vi xử lý. Tài liệu tham khảo [1]. Walt Jung and John McDonald. Power suply noise reduction and filtering. Analog Devices, 2002. [2]. Douglas V. Hall. Microprocessors and interfacing programming and hardware, 1991. [3]. Kỹ thuật vi xử lý. Nhà xuất bản thông kê, 1987 Ă . distortion. Trong phạm vi bài báo này phân tích một vài phơng pháp để nâng cao độ tin cậy và khả năng chống nhiễu khi thiết kế mạch điện tử sử dụng kỹ thuật vi xử lý. Modul khuyếch đại. Phơng pháp nâng cao độ tin cậy v khả năng chống nhiễu khi thiết kế mạch điện tử sử dụng kỹ thuật vi xử lý TS. nguyễn thanh hải Bộ môn Điều khi n học - ĐH GTVT Tóm tắt: Trên thị trờng Vi t. phơng pháp vỏ bọc kim loại. - Vi c sử dụng họ linh kiện theo dõi nguồn cấp và sự hoạt động của vi xử lý vào mạch reset làm tăng khả năng tự phục hồi sau khi có tác động nhiễu của vi xử lý.

Ngày đăng: 06/08/2014, 05:21

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan