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

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.


)
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

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:











+=
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:


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.

< 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