Chuyển từ nguồn +12V sang -12V. Help !!!

Ôi! Nhiễu thật là điên đầu. Khi gặp phải bạn có thể thốt lên là thiết kế của mình như có ma phá hay sao đấy. Mới hồi sáng này khi mới lắp mạch vào, mạch của mình chạy rất ngon lành, làm mình thấy vui, phấn chấn vì đã thành công một dự án. Nghĩ đến chiều nay đi ăn kem hay dạo xe trên phố với bạn gái mà lòng thêng thang, không vướng bận gì. Vậy mà đùng một cái nó trở bệnh. Chứng bệnh rất lạ chưa thấy bao giờ, trong lúc làm thử đâu có thấy vấn đề này. Khi tắt điện đi rồi bật lại, mạch lại làm việc bình thường nhưng rồi lâu lâu, ít phút sau, nó lại sinh bệnh, bệnh khác nữa chứ. Bạn mới bắt đầu lao vào cuộn chiến dò tìm lỗi, mang mã lập trình ra phân tích sau đó lại nghi phần thiết kế mạch có vấn đề. Khi đã thử nhiều cách nhưng vẫn không giải quyết được vấn đề. Thôi đành gọi cô bạn hẹn một dịp khác vậy.
Đúng là có ma thật nếu mình không để ý đến vấn đề nhiễu. Đây là vấn đề rất thực tế, thường xảy ra nhưng ít ai để ý đến kể cả các kỹ sư thiết kế. Thấy đề tài này hay và được lamvn đưa ra trong bài trước nên tính viết một bài về nó nhưng không đủ kiến thức nên đành dịch một tài liệu của hãng Intel. Hy vọng nó sẽ cung cấp cho lamvn và bạn đọc đầy đủ chi tiết, giúp bạn hiểu và giải quyết vấn đề. Bài này đặt trọng tâm lên đề tài tìm hiểu và xử lý nhiễu môi trường với việc thiết kế vi điều khiển (VĐK). Vì tài liệu hơi dài nên mình chia làm nhiều phần.
txnghia

Nguồn tài liệu:
Application Note: AP-125
Designing Microcontroller Systems for Electrically Noisy Environments.
By: Tom Williamson
Date: December 1993
Phần 1: Giới thiệu
Thiết Kế Hệ Thống Vi Điều Khiển Trong Môi Trường Nhiễu Điện
Ta thường nghĩ mạch số không bị vấn đề nhiễu, nhưng hoàn toàn không phải thế. Nhiễu trong hệ thống mạch số làm cho phần mềm chạy xáo trộn: Chương trình nhảy đến những vị trí bất kỳ trong bộ nhớ. Những tín hiệu nhiễu do cảm ứng điện luồng vào dây tín hiệu có thể tạo ra vấn đề như thế, nhưng đường cấp điện thế bị ảnh hưởng nhiều hơn so với đường tín hiệu.
Các nhiễu tệ hại hơn là nhiễu do sự phóng xả điện do hiện tượng tĩnh điện (electrostatic) hay các nhiễu được tìm thấy trong môi trường hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống tự động. Các nhiễu này có thể phá hỏng cấu trúc linh kiện. Sự phóng xả điện do tĩnh điện có thể bắn thủng chất bán dẫn. Trong môi trường máy động cơ hoạt động bình thường, ở đường dây cấp điện 12V ta có thể thấy xuất hiện xung điện lên đến + và - 400V.
Bài viết ứng dụng này mô tả một số hiện tượng nhiễu điện và nhiễu môi trường. Bài này cũng đề cập đến những điều cần xem xét khi thiết kế cùng với kỹ thuật bố trí, chạy mạch in, phân phối điện, dây bọc và dây đất.
Các Triệu Chứng Do Nhiễu
Các vấn đề nhiễu thường ít khi được phát hiện trong giai đoạn khai triển hệ thống vi điều khiển (VĐK). Vì khi đó ta thường thử mạch trên bàn làm việc ít đụng chạm với môi trường điện thật sự. Vấn đề nhiễu lại thường không biểu hiện ra cho đến khi hệ thống được lắp đặt và hoạt động chính thức. Khi đó, sau một vài phút hoặc một vài giờ hoạt động bình thường, hệ thống tự nó chạy xáo trộn, không điều khiển được. Tín hiệu vào bị bỏ qua, tín hiệu ra thất thường. Hệ thống có thể bị tái khởi động liên tục (reset), hoặc là có khi phải tắt hệ thống và bật nó lại, ở một điểm nào đó thì nó lại trở lại bình thường như không có gì xảy ra. Có các trường hợp nhiễu ta thấy rõ nguyên nhân như trong hiện tượng tĩnh điện, ta thấy tia lửa điện phóng từ ngón tay người mang tĩnh điện sang mạch linh kiện điện. (Hiện tượng tĩnh điện rất ít khi thấy ở Việt Nam, nhưng ở các xứ lạnh khô hiện tượng này xảy ra mỗi ngày, ai cũng biết). Hoặc hệ thống bị xáo trộn khi một máy photo copy gần đó bắt đầu khởi động hoặt dừng. Nhưng cũng có những trường hợp ta chẳng biết nguyên nhân từ đâu, và người thiết kế cũng chẳng biết làm sao để gây ra những hiện tượng tái khởi động đó để quan sát hiện tượng, xem xét vấn đề. Nhưng rồi sau đó chừng vài phút, hoặc vài giờ, hoặc vài ngày hệ thống bổng dưng trở bệnh.
Một triệu chứng trong các vấn đề nhiễu điện là tính ngẫu nhiên, xảy ra bất kỳ. Các hoạt động xáo trộn xảy ra không theo một chu kỳ nào hết. Có một số tín hiệu nhiễu lại làm cho hệ thống xáo trộn theo một chu kỳ rõ ràng. Tuy thế nói chung ra, hệ thống nào bị xáo trộn mà ta càng khó định ra nguyên nhân, khó theo dõi hiện tượng thì hệ thống đó có vẻ như bị vấn đề nhiễu càng rõ ràng.

Phần kế: Các loại và nguồn Nhiễu Điện

phần 2:
[size=3]Các Loại Và Nguồn Nhiễu Điện
Bên cạnh các loại nhiễu sẵn có trong mạch điện hay của các linh kiện (ví dụ như tác động của nhiệt làm thay đổi đặc tính hoạt động của linh kiện) thì ta gọi chung chung cho các loại nhiễu điện khác là nhiễu điện từ EMI (Electromagnetic Interference). Động cơ điện, công tắc, đèn huỳnh quang, sự xả tĩnh điện, v.v... là các nguồn nhiễu điện từ. Nhiễu điện từ được phân làm một số loại và được tóm lược như sau đây
1. Xung điện trên đường dây cấp điện
Bất kỳ sự đóng ngắt nào của một tải lớn trên đường dây cấp điện AC hoặc DC sẽ tạo ra các xung mạnh trên đường cấp điện này. Ví dụ, bật hoặc tắc một máy đánh chữ bằng điện có thể gây ra một xung 1000V trên đường cấp điện AC.
Hình 1
Phân tích hình 1 trên sẽ thấy cơ bản của vấn đề
Nguồn điện V tượng trưng cho nguồn bất kỳ AC hoặc DC. Các cuộn dây L tượng trưng cho độ tự cảm của dây dẫn từ nguồn đến các công tắc điện cho 2 tải R1 và R2. Nếu cả 2 tải đang vận hành, dòng điện đi qua dây dẫn và hình thành một từ trường với một giá trị nào đó. Khi 1 tải được ngắt ra, dòng qua dây dẫn sụt đột ngột nên từ trường làm sinh ra một xung có điện thế là v = L(di/dt) = giá trị của cảm ứng của đường dây nhân với độ biến thiên của dòng điện so với thời gian. Ta gọi đây là hiện tượng cảm ứng điện từ. Cái xung được sinh ra lẫn vào đường dây cấp điện đi vào tải còn lại kia, gây ra nhiễu. Thật sự khi công tắc được ta ngắt ra khỏi mạch nó không nảy ra thật nhanh một lần ngay lập tức mà nó bị nảy lên xuống nhiều lần trước khi được ngắt hoàn toàn nên làm nhiễu trên đường điện càng tệ hại hơn.
2. Nhiễu tia lửa điện và sóng vô tuyến
Bất kỳ các thứ tạo ra tia lửa điện hoặc phóng điện sẽ bức xạ ra các xung nhiễu điện từ (Electromagnitic Pulse - EMP) hoặc sóng vô tuyến (Radio Frequency Interference- RFI).
Các tia phóng xả điện có khả năng gây xáo trộn phần mềm nhiều hơn so với các nguồn nhiễu khác. Nguyên nhân là vì các tia phóng điện tạo ra các xung điện từ đi vào mạch và linh kiện và thật sự gây ra sự xáo trộn.
Các tia lửa xảy ra trong hệ thống đề máy xe, động cơ điện, công tắc, v.v.... Động cơ điện một chiều DC có Các thanh chổi than quét điện gây ra tia lửa điện nên làm nhiễu các mạch điện liên hệ. Các loại đồ nghề điện như máy khoan, máy cắt thường dùng các loại động cơ chổi quét sinh nhiễu rất nhiều. Khi bật tắc công tắc cũng làm ra những tia lửa như thế.
3. Nhiễu do xả tĩnh điện
Sự xả tĩnh điện là sự phóng tia lửa điện xảy ra khi một người tích điện do đi bộ qua một đoạn trải thảm (do giầy ma sát với thảm giống như thí nghiệm chà thanh thủy tinh lên vải, rồi các điện tích sinh ra ở thanh thủy tinh làm hút đẩy các mẫu giấy vụn nhảy lên nhảy xuống), và xả vào các nút nhấn hay bất kỳ đâu có thể chạm đến. Đi qua thảm khi thời tiết khô ráo, một người có thể tích một điện thế tĩnh điện lên đến 35 ngàn vôn. Xung dòng điện xả khi phóng điện có độ biến cực nhanh, vào khoảng 4A mỗi nano giây (4A/ns).
Hình 2
Đồ thị ở hình 2 là dự kiện ghi nhận trong các cuộn nghiên cứu về hiện tượng xả tĩnh điện.
Đến đây ta có thể tính được điện thế v = L(di/dt) trong một đoạn dây dẫn chừng vài cen-ti-mét. Đoạn dây thẳng 5 cm có độ tự cảm chừng 50 nH. Giá trị này chẳng đáng là bao nhưng khi thế vào công thức với độ biến thiên dòng 4A/ns thì điện thế sụt lên khoảng 200V. Những cuộc nghiên cứu mới đây cho thấy độ biến thiên dòng còn cao hơn thế nữa.
Rõ ràng vấn đề tia lửa điện cần phải được xem xét khi thiết kế thiết bị điện, nhất là các thiết bị văn phòng.
4. Nhiễu Đất
Dòng điện trong đường dây đất là nguồn nhiễu khác. Chúng có thể là dòng 60Hz (ở Việt Nam là 50Hz) từ nguồn cấp điện nhà, hoặc là các tính hiệu vô tuyến loạn xạ, hoặc là tín hiệu xuyên qua từ các dây tín hiệu khác mà dùng chung dây đất trở về của tín hiệu. Loại nhiễu này thường gọi là vấn đề ''''ground loop'''' (dây đất vòng kín). Khái niệm căn bản được trình bày trong hình 3.
Hình 3. CKT1 & CKT2 tượng trương cho 2 thiết bị hoặc 2 mạch điện cần giao diện nhau.
Vấn đề là tất cả các điểm nối đất thật sự không có cùng mức điện thế với nhau. Nếu tại 2 điểm đầu của một dây được nối đất ở 2 vị trí khác nhau, thì điện thế chênh lệch giữa 2 điểm làm sinh ra một dòng điện lớn đáng kể (nhiều Am-pe) chạy qua dây. Xem xét mạch ta thấy mạch lại có thêm một nguồn điện khác tạo bởi điện thế chênh lệch giữa 2 điểm đất, mạch lại chịu thêm một dòng điện ngoài ý muốn.
Nhiễu Bức Xạ và Truyền Dẫn[/size=3]
Nhiễu bức xạ lan truyền đến mạch điện bị nhiễu ở dạng bức xạ điện từ như các xung điện từ hay sóng vô tuyến. Nó gây ra vấn đề khi mạch điện do bị cảm ứng bởi bức xạ nên sinh ra các tín hiệu điện thế lạ trong mạch. Nhiễu truyền dẫn là nhiễu do dây dẫn đến với mạch bị nhiễu ở dạng tín hiệu đã bị có tín hiệu lạ từ trước chứ không phải do các sóng bức xạ gây ra. Có thể thấy các nhiễu này ngay trong các đường cấp điện AC hoặc DC.
Một cách chống lại các nhiễu bức xạ là cẩn thận trong khâu bố trí và dùng các kỹ thuật bọc chắn bức xạ hoặc sóng vô tuyến hiệu quả. Một cách chống lại nhiễu truyền dẫn là dùng các bộ lọc và triệt nhiễu nguồn, và đương nhiên cẩn thận bố trí dùng đúng kỹ thuật đi dây đất là rất quan trọng.
Phần kế: Mô Phỏng Môi Trường Nhiễu
Được txnghia sửa chữa / chuyển vào 12:30 ngày 09/10/2004

Thật tuyệt vời, từ sau khi bác Nguyễn Văn Tèo mở chủ đề về Vô tuyến truyền thông, thì đến nay mới lại có một lọat những bài viết công phu như thế này. Có những lúc, tôi tìm kiếm trên Internet, gặp một số bài viết của tác giả vô danh nào đó, viết rất sâu sắc và cẩn thận, trong lòng lấy làm khâm phục vô cùng. Những tri thức ở đâu đó tản mạn trên mạng này, cũng như trên Internet, giúp ích được rất nhiều cho mọi người. Những công sức tình nguyện của chúng ta bỏ ra chắc chắn không phải là vô ích. Đó là một trong những động lực để chúng ta góp sức xây dựng TTVNOL ngày một tốt đẹp hơn!
Xin cảm ơn tác giả txnghia về chủ đề này...

Cảm ơn sự khuyến khích của nvl!. Bài này mình chỉ dịch lại chứ không phải là tác giả đâu. Nhưng có khi dịch bài lại khó hơn là do tự mình viết ra vì các từ kỹ thuật đâu dễ dịch sao cho thông mà lại bám sát ý người viết. Rất nhiều các từ chuyên môn mình cũng học được từ diễn đàn này đây, và mình cũng vui khi được các bạn đọc đến bài mình. Nhân đây cũng cảm ơn cả nhà.
txnghia

Mô Phỏng Môi Trường
Xử llý vấn đề nhiễu sau khi thiết kế lắp đặt hệ thống đã hoàn tất là một việc rất tốn kém. Giá phục hồi thay thiết các thiết bị điện liên hệ có thể bị tổn hại do vi điều khiển bị xáo trộn cũng thật đắt tiền. Cách tốt hơn là ta nên đầu tư một ít thời gian một ít tiền để tìm hiểu và mô phỏng nhiễu trong hệ thống. Qua đó ta có thể thấy được vấn đề và tìm cách xử lý ngay trong giai đoạn khai triển dự án.
Xử lý nhiễu trong môi trường gồm 2 bước: Đầu tiên ta phải nhận dạng các loại nhiễu, nghĩa là ta phải biết trong môi trường làm việc thực tiễn của mạch điện sẽ có sự hiện diện cúa các loại nhiễu nào, và những loại nào sẽ gây ra vấn đế. Đừng có bỏ lơ qua bước đầu tiên này vì nó quan trọng lắm. Nếu phán đoán sai sẽ làm ta mất thêm sức và thì giờ
Thứ hai là tạo ra các tín hiệu nhiễu điện trong hệ thống để quan sát hiện tượng tìm cách xử lý. Điều này có khi khó thực hiện hơn những gì ta nghĩ vì có thể cần đến một số các thiết bị tạo tín hiệu đặt biệt.
Các Loại Tác Hại và Nguyên Nhân
Một vấn đề chính mà nhiễu điện từ (EMI) có thể tạo ra trong hệ thống mạch số là làm rối loạn chức năng hoạt động một cách vô chừng. Ở một lúc nào đó thì có nguồn nhiễu điện từ xuất hiện làm rối loạn phần mềm, dữ kiện số bị mất hoặc các con trỏ chương trình nhảy đến một vùng vô định bất kỳ trong bộ nhớ. Người bị dính vào vấn đề như thế này hay đổ tội cho bộ đếm chương trình bị điên rồi. Thường phần cứng không bị tổn hại và trở lại làm việc bình thường khi khi nguồn nhiễu không hiện diện. Khi trở lại làm việc bình thường mạch cần được tái khởi động, và nên để ý có thể một số dữ kiện số đã bị mất.
Sự xả tĩnh điện do một người điều khiển hệ thống mang tĩnh điện không những có thể làm xáo trộn phần mềm mà còn làm tổn hại các linh kiện phần cứng trong hệ thống. Khi chuyện này xảy ra, hệ thống có khi dừng hoạt động ngay, có khi sẽ xảy ra sau đó khi vận hành các chức năng khác, và cũng có khi sự tổn hại bị ngầm bên trong.
Một nguyên nhân đưa đến tổn hại do xả điện được nhận dạng liên hệ đến điện thế phần lớp nền của chíp. Khi điện thế lớp nền thay đổi quá phạm vi cho phép thì các lỗi đọc chương trình được ghi nhận. Một vài chíp còn cho phép dòng xả tĩnh điện đi trực tiếp vào cổng ra/vào làm hỏng lớp nền. Lớp nền bị hỏng sẽ tạo ra dòng rỉ, làm điện thế mức nền sụt đi đến một mức gần sát mức tối đa cho phép hoặc đến mức không chấp nhận được. Hệ thống trở nên làm việc không ổn định, lúc đúng lúc sai, lúc ngừng lúc chạy, hoặc có khi hoàn toàn dừng hoạt động cho tới khi phải thay con chíp mới. Nhưng nếu con mới thay này vẫn có khả năng bị phóng xả điện thì trước sau nó cũng bị chết nữa.
Vì vậy vấn đề cần phải được nhận biết như các cổng không được bảo vệ nối trực tiếp đến các nút nhấn hoặc bất kỳ các thứ gì mà sự phóng xả tĩnh điện có thể xảy ra là điều cực kỳ nguy hiểm. Nếu các VĐK nối trực tiếp đến các nút nhấn mà không được bảo vệ thì trước sau sẽ bị hại. Thiết kế cho môi trường tĩnh điện sẽ được thảo luận kỹ càng hơn trong các phần sau.
Các loại chíp lưỡng cực và tuyến tính cũng có thể bị phá hư bằng cách này. Vách nối PN khi gặp xung dòng điện, như do sự phóng xả tĩnh điện, sẽ gây ra trên vách ngăn những điểm nhỏ nóng đạt gần đến nhiệt độ nóng chảy. Các chíp TTL và op-amp cũng bị nạn này.
Bây giờ ta trở lại vấn đề xáo trộn phần mềm. Các xung nhiễu có thể làm xáo trộn chíp qua bất kỳ chân nào, kể cả chân ra vì mỗi chân của chíp đều nối với lớp nền qua vách nối PN. Tuy nhiên chân dễ bị tổn thương nhất là chân cấp điện VCC vì nối đến tất cả các phần mạch bên trong chíp: từng thanh ghi, cổng, flip-flop, và phần đệm.
Bảng danh sách kể tội các nguyên nhân gây nên xáo trộn khá dài. Một xung áp lên trên lớp nền ở một thời điểm nào đó sẽ gây lỗi đọc chương trình. Mức tín hiệu điều khiển vào không chuẩn có thể làm cho đơn vị điều khiển (control unit bên trong chíp) đưa ra các mã điều khiển sai lệch hoặc dư thừa. Sự nhiễu loạn trên đường cấp điện có thể đổi trạng thái của một bít của bộ đếm chương trình hoặc dữ kiện trong thanh ghi. Một cái chớp ngắt điện có thể làm bộ xử lý ngừng hoạt động thật sự, nhưng không đủ lâu để mạch tái khởi động nhận biết. Do đó, khi sự ngắt điện chấm dứt, chíp trở lại hoạt động mà không qua quá trình tái khởi động, làm cho chương trình chạy không kiểm soát được.
Một bệnh thông thường khác của các bộ xử lý là bị khoá trong một vòng chương trình kín, không thoát ra được. Đó có thể là do bộ đếm chương trình (Program counter) nhảy vào một vùng dữ kiện nào đó trong bộ nhớ. Thay vì các mã điều khiển được thực hiện với sự giám sát của bộ đếm chương trình, nhưng vì bộ đếm chương trình nhảy vào vùng dữ kiện thì các dữ kiện trong bộ nhớ được bộ xử lý tưởng lầm là mã điều khiển, nên chạy rối, có khi bị khóa trong vòng kín.

Phần kế: đề cập đến các biện pháp lọc chống nhiễu.

Tà?i liẶu nà?y cò 26 trang, 'òc kỳf cơf 2h xong. Là?m gì? bàc txnghia phà?i dìch tẮn cĂng vẶy. Ai muẮn tì?m hiĂ?u thì? tự dìch lẮy mới hiĂ?u 'ược chứ.
http://www.intel.com/design/auto/mcs96/applnots/210313.htm

Có một câu nói thế này:
"Ba thằng tây thì bằng một thằng Ixrael, ba thằng Ixrael cũng chỉ bằng một thằng Việt Nam, nhưng ba thằng Việt Nam thì không bằng một thằng tây"
Là bởi vì cứ một ông làm được cái gì đó hay hay là thế nào cũng có ông chọc vào.

BĂc nĂy quả lĂ siĂu phĂm!!! Chưa nĂi tiếng Anh, 'ến 26 trang tiếng Vi?t em 'ọc lư>t ('ọc xong chẳng nh> m
Được ba_gia_dau_kho sửa chữa / chuyển vào 18:41 ngày 12/10/2004

Cảm ơn txnghia thật nhiều nhé! về những gì bạn dã chia sẽ với anh em trên diễn dàn này. Riêng mình con mắc nợ bạn hiều lắm, mong một ngày được diện kiến với bạn. nếu có thể xin bạn mail cho mình điện thoại liên lạc nhé. Không phải ai trên diễn dàn này cũng uyên bác như quenmangkinh, vì vậy với mình những thông tin mà txnghia mang đến thật vô cùng có ý nghĩa. Chúc bạn và mọi người một ngày thật vui vẻ và hạnh phúc.