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

2.2.2.2 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

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,

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.

- 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

(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


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


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

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

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

=
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
+
-

-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

xuống Gnd).



211122
1

2Hình 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

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

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