Đề tài Thiết kế chế tạo mô hình diafram tự động

LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, sự phát triển như vũ bão của nghành công nghiệp điện tử, nghành công nghiệp công nghệ thông tin đòi hỏi nghành công nghiệp cơ khí chế tạo máy cũng phải có bước phát triển tương xứng. Sự kết hợp các nghành này đã sản xuất ra hàng loạt các sản phẩm hiện đại trong tất cả các lĩnh vực phục vụ cho cuộc sống ngày càng văn minh của con người. Các sản phẩm này, từ các thiết bị đo lường, nghe nhìn, điện tử tin học cho đến các dây chuyền sản xuất hiện đại, lại là sự kết hợp giữa các nghành điện – điện tử - tin học – cơ khí và một nghành nữa, có trong hầu hết các sản phẩm hiện đại, đó là chuyên nghành quang – quang điện tử. Có thể nói, trong các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn, mẫu mã đẹp đều sử dụng kỹ thuật quang – quang điện tử. Hơn nữa, sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp vi điện tử và bán dẫn sản xuất nên các cảm biến quang rất đa dạng với kích thước rất nhỏ và giá thành của các sản phẩm này thì lại rất rẻ. Điều này đặc biệt thuận lợi cho việc học tập, nghiên cứu, từ đó đưa ra được các sản phẩm mới, có thể được đưa vào sản xuất và được chấp nhận bỏi người tiêu dùng cũng như xã hội trong điều kiện đất nước còn nghèo. Mô hình Diafram điều khiển tự động trong đồ án tốt nghiệp này cũng không ngoài mục đích trên. Mô hình này cũng dựa trên tư tưởng kết hợp giữa điện, điện tử, cơ và sử dụng quang trở làm cảm biến, điều khiển trực tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, do giới hạn trong khuôn khổ một đồ án tốt nghiệp, thời gian không nhiều và trình độ hạn chế nên ở mặt này, mặt kia chắc chắn không thể không có sai sót. Rất mong nhận được sự chỉ giáo của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn CKCX-QH, cũng như tất cả những ai hiểu biết về lĩnh vực này. Tác giả xin được cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn CKCX-QH đã chỉ bảo trong quá trình học tập và thiết kế tốt nghiệp. Đặc biệt, tác giả xin được cảm ơn thầy giáo Chu Tiến Rảo đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn trong quá trình thiết kế tốt nghiệp. Hà Nội, tháng 05 – 2006. Dương Hồng Cang MỤC LỤC Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH 1.1. TỔNG QUÁT VỀ CAMERA 1.1.1. Sơ đồ khối của camera 1.1.1.1. Ống kính (lens) Hầu hết các máy quay, dù là dùng phim nhựa hay dùng băng video, ống kính là một trong những khối quan trọng nhất. Trong máy quay phim nhựa, hình ảnh qua ống kính được ghi lên phim; trong máy quay video, hình ảnh được ghi lên bia ống ghi (hình 1-2) hay lên chíp CCD (hình 1-3), sau đó được đổi từ dạng quang thành tín hiệu điện. Ống kính, gồm nhiều thấu kính, tập trung ánh sáng rọi vào trên một mặt, gọi là mặt phẳng tiêu (focal plane). Bia ảnh (target) của ống ghi được đặt tại mặt phẳng tiêu và tiêu cự (focus length) là khoảng cách từ tâm quang của ống kính đến mặt phẳng tiêu. Máy quay video thường được lắp ống kính zoom, đây là loại ống kính mà tiêu cự tác dụng của nó có thể thay đổi trong một phạm vi. Tỷ số 6:1 có thể thực hiện tiêu cự từ 11 đến 66mm. 1.1.1.2. Các kính lọc (filter) Như đối với máy quay phim nhựa, máy quay video cũng dùng các kính lọc. Hầu hết các máy quay đều sử dụng kính lọc hiệu chỉnh nhiệt độ màu sẵn có để đổi màu ánh sáng trong nhà/ngoài trời. Ngoài kính lọc này, máy quay video còn dùng các kính lọc khác trên đường ánh sáng, nằm giữa thấu kính và ống ghi. Kính lọc này thường được ghép với khóa điện định mức trắng để tạo độ tán tiêu (defocusing) chính xác từ hình ảnh đưa vào. Điều này cung cấp cho ống ghi ánh sáng trắng dịu (soft) vốn là sự phối hợp của tất cả ánh sáng và các màu sắc đưa vào. Lúc đó mạch hiệu chỉnh (mạch định mức trắng) có thể thiết lập một sự hòa trộn chính xác các màu ĐỎ, LỤC và DƯƠNG theo yêu cầu để cung cấp sự cân bằng màu toàn thể cho cảnh quan. Tùy vào ống ghi, người ta sử dụng hai loại kính lọc căn bản. Kính lọc loại bỏ tia hồng ngoại (infrared cut filter) và kính lọc cho qua ánh sáng thấp (low pass filter). 1.1.1.3. Ống ghi và chíp CCD (pick-up tube & CCD chip) Ống ghi dùng trong camera màu gồm 4 loại căn bản: VIDICON, NEWVICON, SATICON, và TRINICON. Trong các camera đời mới, người ta dùng chíp CCD (charge coupled device: linh kiện kết nối điện tích) thay cho ống ghi. 1.1.1.4. Mạch tiền khuyếch đại Mạch tiền khuyếch đại là mạch khuyếch đại có tạp âm thấp, trở kháng ngả vào cao, nhận thông tin hình ảnh thô hiện lên bia của ống ghi và khuyếch đại chúng đến một mức dùng được để đưa vào mạch xử lý và mạch mã hóa màu. 1.1.1.5. Mạch kích thích chíp CCD (CCD driver) CCD là một chíp có tác dụng chuyển đổi ánh sáng đưa vào thành tín hiệu điện (gọi là “tín hiệu điện tích”). Mạch kích thích chíp CCD, còn gọi là mạch cảm biến, dùng để tạo ra các loại xung định thời khác nhau kích thích khối CCD nhằm thực hiện việc tích điện và truyền sự hoạt động trong CCD. Mạch còn xử lý tín hiệu trước tín hiệu CCD ra, loại bỏ các thành phần nhiễu, chỉnh độ lợi tự động (AGC), chỉnh hệ số tương phản (gamma). 1.1.1.6. Mạch xử lý và mã hóa màu (process & encoding circuit) Trong sơ đồ khối, mạch xử lý và mã hóa màu bao gồm nhiều mạch điện. Mạch xử lý tín hiệu độ chói, xử lý tín hiệu độ màu, mạch AGC, ALC (tự chỉnh độ lợi, tự chỉnh ánh sáng), tạo tín hiệu NTSC, chỉnh cân bằng mức trắng, xử lý âm thanh, và mạch cảm nhận tín hiệu hình phát lại ra. 1.1.1.7. Nguồn cấp điện (power supply) Trong camera dùng ống ghi (pick-up tube), người ta sử dụng 2 nguồn cấp điện, nguồn cấp điện thế cao (HV, <2000V) cung cấp cho CRT ống ghi và cả CRT ống ngắm điện tử (EVF – electronic viewfinder), nếu có. Trong hầu hết các trường hợp, nguồn điện thế cao này lấy từ phần quét ngang, khá giống máy thu hình tiêu chuẩn. Nguồn điện thế thấp (LV) gồm có một hay nhiều nguồn ổn thế, lấy từ chuẩn 12VDC đưa vào camera, cấp điện cho các mạch khác nhau. Với camera dùng chíp CCD, không cần có điện cao cung cấp cho ống ghi, nên người ta sử dụng nguồn DC 12V. Nguồn 12VDC này được cho qua mạch chuyển đổi DC-DC, lấy ra các mức 3,5V; 5V; 8V; 9V; 15V cấp cho các mạch điện. 1.1.1.8. Mạch tạo xung đồng bộ (sync generator) Do camera màu được vận hành từ điện DC và là nguồn phát tín hiệu hình (truyền tín hiệu TV), chúng phải tự tạo cho mình độ ổn định, trang bị mạch phát đa chức năng để cung cấp các tín hiệu hàng dọc, hàng ngang, chuẩn màu, xóa đường hồi, và các mạch khác cần có để tạo ra tín hiệu hình NTSC ổn định. Thông thường mạch này được thực hiện trong một IC MOS chuyên dùng với sự điều khiển của mạch dao động thạch anh. 1.1.1.9. Kính ngắm (view finder) Một số camera kiểu cũ, dùng kính ngắm quang học (optical viewfinder), loại này nhìn thấy cảnh vật trong phạm vi của kính ngắm, không có sự kết nối với ống kính. Cải thiện hơn, người ta dùng kính ngắm xuyên ống kính (TTL viewfinder). Ảnh của đối tượng thu vào ống kính được lăng kính chia thành 2 đường, một vào kính ngắm và một vào bia ảnh ống ghi. Hai loại trên là kiểu kính ngắm dạng quang, hiện nay ít dùng; mà hầu như tất cả đều dùng kính ngắm điện tử (EVF – electronic viewfinder), loại này không những cho phép nhìn cảnh trí trung thực, mà còn được sử dụng như một minitor để kiểm tra chất lượng hình ảnh vừa ghi. 1.1.1.10. Các mạch điều khiển (control circuits) Các mạch điều khiển có thể đơn giản như điều khiển GHI/TẠM DỪNG và phức tạp như điều khiển tuyến dữ liệu nối tiếp do bộ vi xử lý tạo ra, cung cấp đầy đủ các chức năng điều khiển VCR từ xa. Mở cảnh (fade in) và đóng cảnh (fade out), tiêu đề video (video title), chỉ thị thời gian hoạt động (elapsed time), đảo hình (reverse video), chỉ thị chế độ của hệ thống (system status), tăng/giảm AGC (AGC switching), và chỉnh nguồn sáng sau lưng (back light) là tất cả các ví dụ về các đặc tính điều khiển sẵn có trên các máy quay khác nhau. 1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của camera Như mắt người, khi camera thu một cảnh tự nhiên, nó phải đưa ảnh đó vào đúng tiêu cự. Ngày nay, hầu hết camera đều sử dụng bộ cảm biến ghép điện tích CCD. Tín hiệu ánh sáng từ đối tượng quay sau khi đi qua hệ thấu kính, qua Diafram để điều chỉnh độ rọi được in lên mặt ghi hình trong các camera dùng ống ghi hay in lên mặt mạch cảm ứng như các camera dùng CCD hoặc CMOS để chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện sau đó ghi lên thiết bị nhớ. 1.2. CẢM BIẾN TRONG CAMERA Bộ cảm biến trong camera thực hiện hai nhiệm vụ: -Biến đổi ảnh quang thành ảnh điện tử. -Quét ảnh điện tử và phân phối tín hiệu điện tử. Hiện nay hầu hết các camera hiện đại dùng các bộ cảm biến CCD. 1.2.1. Thiết bị ghép điện tích (CCD) CCD là một thiết bị gồm các mạch tích hợp thực hiện hai quá trình cảm thụ ảnh: lưu trữ và đọc ra (quét). CCD được thiết kế trên một mảng tế bào hai chiều giống như các điểm ảnh. Mỗi tế bào trong mảng CCD có hai chế độ. Chế độ lưu trữ, ở chế độ này điện tử được nạp và tích tụ trong tế bào tương ứng với năng lượng ánh sáng tác động lên tế bào. Chế độ chuyển, ở đây các điện tử được nạp trong tế bào có thể di chuyển đến một tế bào gần kề, cả hàng ngang cũng như hàng dọc theo cấu trúc của tế bào. Chế độ chuyển cả dòng tế bào, thậm chí cả mảng tế bào hai chiều, được thực hiện đồng thời để từng bước thực hiện chuyển nội dung nạp của các dòng, các hàng tế bào hoặc toàn bộ hình ảnh. Nói chung, các CCD gồm có hai mảng tế bào: một là vùng tạo ảnh, hai là vùng đọc được lớp che phủ ánh sáng ngăn cách. Chế độ chuyển đạt được sử dụng để di chuyển ảnh điện tử từ vùng tạo ảnh sang vùng đọc (thường ở trong chu kỳ xóa dòng). Trong thời gian tích cực của ảnh, vùng tạo ảnh được đặt trong chế độ lưu trữ, còn vùng đọc sử dụng chế độ chuyển đạt để chuyển phần ảnh được nạp tới cổng ra. 1.2.2. Cấu trúc CCD CCD bao gồm ba cấu trúc cơ bản được sử dụng rộng rãi trong các camera hiện đại. Sự khác nhau giữa các cấu trúc CCD là cách thức bố trí vùng tạo ảnh, vùng đọc và cách thức chuyển đạt. 1.2.2.1. Cấu trúc chuyển khung (FT – Frame Transfer) Hình 1-4 là một cấu trúc chuyển khung FT. Vùng tạo ảnh được đặt trên vùng đọc. Vùng đọc được che khuất bởi một lớp phủ để không cho ánh sáng tác động vào. Chức năng lưu trữ được thực hiện ở vùng tạo ảnh trong khoảng thời gian tích cực của ảnh. Trong khoảng thời gian xóa mành, toàn bộ vùng lưu trữ được chuyển vào vùng đọc theo chiều dọc. Các tế bào của mỗi dòng được chuyển xuống đồng thời một dòng và quá trình này lặp lại cho mỗi dòng của ảnh. Nếu ảnh có 480 dòng, sẽ có 480 quá trình truyền trong khoảng thời gian một mành. Trong khoảng thời gian xóa dòng, một dòng tại một thời điểm trong vùng đọc được chuyển theo chiều dọc tới mảng đọc của một dòng ngang. Còn trong khoảng thời gian dòng tích cực, mảng ngang được khóa để chuyển các điểm ảnh sang bên phải đến đầu ra video. Do quá trình tích nạp trong vùng ảnh không thể dừng lại khi đang chuyển tới vùng đọc, hơn nữa, quá trình chuyển này phải mất một lượng thời gian xác định (cỡ 1ms) nên hiệu ứng “vết chuyển” sẽ xuất hiện trên và dưới vùng sáng rõ của ảnh. Trong camera CCD ứng dụng cấu trúc chuyển khung, hệ thống quang học cần đến một cơ cấu cơ học đặc biệt để loại bỏ hiệu ứng này. Trên thực tế, bộ tạo ảnh FT ít được sử dụng trong các camera ghi hình chất lượng cao. 1.2.2.2. Cấu trúc chuyển liên dòng (IT – Interline Transfer) Hình 1.5 mô tả cấu trúc chuyển liên dòng IT. Cấu trúc này được xây dựng theo kiểu chèn mảng tạo ảnh và mảng đọc theo chiều ngang lần lượt trên cơ sở một điểm ảnh, nhằm tạo ra chip có kích thước nhỏ hơn cấu trúc chuyển khung. Ảnh quang được tập trung trên toàn bộ vùng này. Các tế bào đọc được che khuất về phương diện quang học, ánh sáng từ ảnh chiếu đến các vùng này sẽ bị mất, vì vậy độ nhậy của chíp sẽ giảm xuống. Trong một số CCD cấu trúc chuyển liên dòng, một mảng vi thấu kính được đặt lên các tế bào và như vậy sẽ khôi phục được độ nhạy của chip. Tất nhiên sử dụng vi thấu kính sẽ làm tăng giá thành của thiết bị, song đó là biện pháp khá hữu hiệu để nâng cao độ nhạy của chip CCD. Quá trình lưu trữ trong cấu trúc chuyển liên dòng xẩy ra ở mọi thời điểm trừ khi chuyển dòng. Quá trình nạp vào các tế bào được truyền theo hàng ngang tới mảng đọc. Trong khoảng xóa dòng, mảng đọc được dịch xuống dưới một dòng cho mảng đọc ngang, mảng đọc sau đó sẽ bị khóa lại trong khoảng thời gian tích cực của dòng để đưa đến đầu ra video. Cấu trúc CCD chuyển liên dòng thường không cần đến cơ cấu cơ học phức tạp để loại bỏ “vết chuyển”. Tuy nhiên điều tương tự như trong CCD chuyển khung với chỗ sáng nhất do sự che khuất quang học của các tế bào đọc được chèn không hoàn hảo. Hiệu ứng này có thể gây nên những đường dọc xuất hiện ở vùng sáng nhất của ảnh. 1.2.2.3. Cấu trúc chuyển liên dòng – khung (FIT – Frame Interline Transfer) Hình 1.6 mô tả cấu trúc FIT, kết hợp các đặc điểm của hai cấu trúc FT và IT. Trong thời gian xóa mành, toàn bộ ảnh được chuyển tới các thanh ghi đã được chèn, sau đó được chuyển tiếp xuống mảng đọc. Trong thời gian tích cực của ảnh, quá trình đọc xẩy ra giống như trong cấu trúc FT. Do toàn bộ quá trình chuyển của mảng tạo ảnh xẩy ra với khoảng thời gian rất bé (khoảng thời gian xóa mành) và ngay trong các thanh ghi bị che quang, nên không cần thiết phải có cơ cấu để loại bỏ “vết chuyển” và cũng không xẩy ra vấn đề gì đối với vùng sáng nhất. Có thể nói đây là cấu trúc thích hợp nhất cho các camera chuyên dùng. 1.2.3. Quét cách dòng trong CCD Với ba cấu trúc nêu trên, có thể nói đó là quá trình quét liên tiếp của CCD. Tất nhiên, nếu CCD có một dòng tế bào cho mọi dòng của ảnh được quét cách dòng và mặc nhiên trong cấu trúc FIT có thể bị khóa để chỉ chuyển các dòng lẻ hay các dòng chẵn tới các thanh ghi chuyển theo chiều dọc, kết quả là sẽ tạo nên quét cách dòng ở đầu ra video. Điều này làm tăng độ nhạy của chip CCD và mảng đọc chỉ cần phải lưu giữ một nửa trên tổng số dòng. Nhược điểm của phương pháp này là có thể gây ra chồng phổ mành biểu hiện dưới dạng các biên dòng nhọn, nên cần phải có các bộ lọc quang để hạn chế nó. Ngoài ra, có thể thực hiện liên tiếp với chu kỳ mành và xử lý số tín hiệu thành cấu trúc quét cách dòng. Ở đây có hai phương thức thực hiện: một là loại bỏ các dòng lẻ (hoặc chẵn) ở đầu ra của CCD và mở rộng những dòng còn lại theo tiêu chuẩn. Phương pháp này khá đơn giản, song nó lại loại bỏ một nửa tín hiệu, làm suy giảm tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR (Signal-to-Noise Ratio). Phương pháp thứ hai là lưu trữ bằng kỹ thuật số hai dòng từ CCD và kết hợp hai dòng kề nhau để tạo ra tín hiệu quét cách dòng. Phương pháp này không gây tổn hao SNR và khắc phục được vấn đề chồng phổ song trong một chừng mực nào đó lại gây nên sự suy giảm độ phân giải mành. Nói chung cả hai phương pháp quét trong CCD đều yêu cầu thanh ghi dòng của CCD phải có tốc độ gấp đôi so với phương pháp quét dòng trực tiếp. 1.2.4. Cấu trúc của camera CCD đơn Trong các camera chuyên dùng, tương ứng với ba mầu cơ bản RGB sử dụng ba CCD. Cơ cấu camera RGB này đảm bảo tái tạo ảnh với chất lượng cao nhất trong hệ thống chuyên nghiệp, song lại quá đắt đối với thị trường camera dân dụng. Các camera một CCD hay còn gọi camera CCD đơn được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường dân dụng (hình 1-7). Một bộ lọc quang mầu được đặt trên các tế bào của CCD. Trong quá trình xử lý tín hiệu, ba thành phần mầu RGB đạt được bằng cách lấy mẫu tín hiệu video tại ba pha như đã chỉ ra trên hình 1-7. Phần còn lại của quá trình xử lý tín hiệu tương tự như đã nêu trong các loại camera có ba CCD. 1.2.5. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của CCD Nói chung tạp âm xuất hiện trong bộ tạo ảnh CCD là do tạp âm quang điện tử (hiệu ứng chụp ảnh điện tử). Các chỉ tiêu SNR của một CCD phụ thuộc vào kích thước của điểm ảnh. Điểm ảnh lớn cho phép thu nhận được nhiều ánh sáng của ảnh quang làm tăng SNR, tuy nhiên điểm ảnh lớn, kích thước chip CCD tăng, bộ phận quang – cơ vì thế có thể tăng lớn làm tăng giá thành camera. 1.3. XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG CAMERA SỐ Nói chung, tín hiệu ra từ các thiết bị CCD được lấy mẫu theo điểm ảnh và cấu trúc dòng của CCD song có biên độ analog. Tín hiệu sau đó được khuếch đại một cách tuyến tính đến mức phù hợp cho quá trình xử lý tiếp theo bao gồm: chuyển đổi AD, các bước xử lý khác nhau trong miền số. Bất cứ một động thái xử lý phi tuyến nào trong miền tương tự cũng nên tránh, nhằm đảm bảo tính ổn định của hệ thống (hình 1.9). 1.3.1. ADC Bất kỳ một quá trình ADC nào cũng đều thực hiện theo bốn bước đó là lấy mẫu, nhớ mẫu, lượng tử hóa và mã hóa. Cấu trúc điểm ảnh của CCD được thực hiện ngay trong giai đoạn lấy mẫu theo thời gian và tín hiệu video được truyền nhịp nhàng từ giá trị điểm ảnh này đến giá trị điểm ảnh tiếp theo. Quá trình lấy mẫu các giá trị điểm ảnh như thế này có thể được biểu diễn tương tự trên hình 1.7 và các thành phần RGB được lấy từ một CCD đơn. Quá trình lượng tử hóa sẽ tạo nên các thành phần tạp âm của chính nó, để tạp âm lượng tử không làm suy giảm SNR của camera, SNR của quá trình lượng tử hóa phải được thiết lập ở mức lớn 6dB được xác định theo công thức: SNR = 6,02N + 10,8 + 15,6 + 6[dB] (1.3) Trong đó thành phần 15,6 dB là mức bảo vệ vùng sáng. Trên cơ sở này ITU.Rec.BT 601 đã đưa ra khuyến nghị chọn lượng tử hóa 10 bit đối với các camera số. 1.3.2. Nén vùng sáng Dải động của CCD là tỷ số tín hiệu đầu ra cao nhất có thể có của CCD với mức tạp âm của nó. Thông thường, mức tín hiệu tối đa (đỉnh trắng) được thiết lập chủ yếu dưới điểm bão hòa của bản thân CCD, trừ lại điểm cuối của đỉnh để báo vệ vùng sáng nhất của CCD nhằm tránh sự bão hòa gây ra những hiệu ứng xấu cho quá trình xử lý tín hiệu tiếp theo. Trong các camera chuyên dụng, mức bảo vệ vùng sáng trên đỉnh mức trắng là 600% tươn ứng với 15,6 dB của dải động. Quá trình xử lý tín hiệu trong camera sẽ nén bất cứ vùng sáng nào đi vào vùng bảo vệ theo một thuật toán phù hợp với mục đích sử dụng của camera. Thông thường dải động của các loại CCD có thể đạt 80 dB, còn SNR đối với camera cỡ 60 dB. Phương pháp thường dùng để nén vùng sáng trong các camera là tạo một đặc tuyến truyền đạt tuyến tính tới mức 100% và sau đó thực thi quá trình điều chỉnh để nén các vùng sáng thực phù hợp với khả năng của khoảng bảo vệ đối với máy ghi, thiết bị truyền dẫn cũng như thiết bị hiển thị (hình 1-10). Có thể thực hiện nén vùng sáng trước chuỗi tín hiệu để toàn bộ quá trình xử lý các vùng sáng này. Tuy nhiên, nó phải thực hiện tại điểm mà các tín hiệu đã cân bằng về mầu và mức đã được chuẩn hóa. Trên hình 1-9, các mạch cân bằng trắng phải được đặt vào trước khối nén độ sáng cao. Cân bằng trắng được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu với các hằng số được xác định tại thời điểm lấy cân bằng trắng. Điều này thường được trợ giúp của một bảng tra cứu, bao gồm một bộ nhớ RAM lưu trữ giá trị đầu ra cho mọi giá trị đầu vào. Tín hiệu đầu vào được đưa vào bộ nhớ của bảng tra cứu và giá trị phù hợp sẽ được đọc phù hợp với yêu cầu của đầu ra. Với 12 bit/mẫu, bộ nhớ của bảng tra cứu có thể lưu trữ được 4096 giá trị 12 bit cho mỗi kênh R, G, B. Trong tiến trình cân bằng trắng, CPU của hệ thống sẽ xác định các điểm cho giá trị tăng ích và lặp lại cho đến khi sự cân bằng trắng được thực hiện. Có thể thực hiện cả quá trình cân bằng trắng và nén vùng sáng trên cùng một bảng tra cứu, điều này có nghĩa là máy tính phải xác định các giá trị phối hợp riêng khi các chức năng được điều chỉnh. Phương pháp sử dụng bảng tra cứu trong bộ nhớ RAM cũng thường được sử dụng để sửa đổi đặc tính truyền đạt của nén vùng sáng. 1.3.3. Sửa lỗi gamma digital Nói chung, đặc tính truyền đạt về biên độ video của CCD là tuyến tính trên hầu hết dải động của nó. Tuy nhiên như đã biết, thiết bị hiển thị tiêu biểu (CRT) lại có cường độ là một hàm phi tuyến, ngược với hàm của tín hiệu. Hầu hết các bộ cảm biến trong camera, vì vậy thường được lắp đặt hệ thống sửa méo gamma để đưa vào tín hiệu có đặc tuyến biên độ cần thiết. Trong quá trình xử lý số nếu sử dụng RAM như đã nêu trên có thể gây ra lỗi gamma. Việc điều chỉnh các đặc tính méo gamma có thể được thực hiện bằng cách thay đổi giá trị lưu trong bộ nhớ. Một camera có điều chỉnh lỗi gamma thường có bộ nhớ sửa lỗi có thể ghi được và có thể nạp lại bộ nhớ từ phần lưu trữ thường trực khác hoặc từ các giá trị đã được tính toán. 1.3.4. Sửa mầu digital Sửa mầu thực hiện hai nhiệm vụ: -Thứ nhất, thực hiện che để chỉnh sự đo mầu của camera đạt đến tiêu chuẩn. -Thứ hai, thực hiện một số điều chỉnh mầu khác sao cho phù hợp với mục đích nghệ thuật. Nhiều camera chỉ sử dụng sửa mầu đối với phép đo mầu, mà không cung cấp phương tiện cho việc hiệu chỉnh khác. Nói chung, máy tính thường được ứng dụng để thực thi việc sửa mầu số. Điều chỉnh quy trình sửa mầu trong hệ thống RGB có thể ảnh hưởng đến cân bằng mầu vì thế máy tính là một nhân tố không thể thiếu được nhằm tính toán một cách nhanh chóng sự thay đổi các hệ số để duy trì cân bằng. 1.3.5. Điều khiển lộ sáng Điều khiển lộ sáng một camera video bao gồm hoạt động của màng ngăn thấu kính, các bánh xe của bộ lọc mật độ trung bình, và, ở mức độ ánh sáng thấp, độ tăng ích của video tăng. Tăng độ tăng ích của camera sẽ kéo theo sự suy giảm SNR, vì vậy việc này thường chỉ được sử dụng ở mức ánh sáng thấp với màng ngăn đã được mở rộng và tất cả các bộ loc đều được đưa ra khỏi đường dẫn quang. Do có sự suy giảm SNR ở độ tăng ích cao, rất nhiều camera cũng sẽ giảm sự tăng cường ảnh, hoặc thậm chí là không tăng cường ở những điều kiện này. Các chức năng lộ sáng được điều chỉnh để duy trì mức đầu ra riêng của video từ camera. Việc này có thể thao tác bằng tay hoặc thao tác tự động. Trong trường hợp thao tác tự động, mức tín hiệu video được cảm thụ trong chuỗi xử lý tín hiệu và một CPU trong camera sẽ quyết định cần phải điều chỉnh cái gì. Các thuật tóan khác nhau được sử dụng cho mục đích này, chủ yếu là để đạt được đặc tuyến tốt ở những điều kiện mà mức ánh sáng có thể thay đổi nhanh chóng, hoặc camera được điều chỉnh để quay từ vùng sáng nhất đến vùng tối hay ngược lại. Bởi vì, ngay thậm chí những thuật toán tốt nhất thực hiện tự động cũng chưa phải là tối ưu, cho nên hầu hết các camera đều có khả năng tắt phần điều khiển lộ sáng tự động. Điều khiển lộ sáng tự động là một đặc điểm rất quan trọng đối với các camera dân dụng, tuy nhiên, lại không quan trọng đối với những sản phẩm khác. Đối với các thao tác trong phòng thu chuyên nghiệp, tại đó việc chiếu sáng đã được kiểm soát, điều khiển lộ sáng tự động hầu như không được sử dụng. 1.3.6. Hội tụ tự động Các camera dân dụng thường có khả năng hội tụ tự động, nghĩa là có thể điều khiển một vùng trên cảnh và điều chỉnh thấu kính để giữ cho vùng này có độ nét nhất. Sự cảm nhận tiêu cự chủ yếu dựa vào quá trình tìm kiếm chi tiết tần số cao trong vùng đang được điều khiển và thành phần này sẽ tối ưu hóa khi hình ảnh đạt mức độ rõ nét nhất. Tồn tại một số giới hạn đối với bộ phận cảm nhận năng lượng tần số cao cho cơ cấu hội tụ tự động vì cảnh không phải lúc nào cũng có số mức năng lượng đủ để thực hiện các thao tác hội tụ tự động. Trong trường hợp này, cơ cấu hội tụ tự động sẽ quay ngược lại và sẽ không ổn định. Điều này cần được lưu ý khi thiết kế và tính toán hệ thống điều chỉnh tiêu cự. 1.3.7. Mã hóa trong camera Phần mã hóa của camera làm nhiệm vụ chuyển đổi định dạng tín hiệu trong camera thành định dạng tín hiệu ngoài của hệ thống sử dụng nó hoặc chuyển đổi định dạng trong thành định dạng của máy ghi hình nối với camera. Hiện đang tồn tại nhiều camera sử dụng hệ thống tín hiệu video tổng hợp analog NTSC hay PAL, nên các thiết bị mã hóa của chúng chuyển đổi các tín hiệu số của camera thành tín hiệu video tổng hợp tiêu chuẩn. Trong các trường hợp khác, quá trình mã hóa thường là số để cung cấp cho mạch truyền dẫn hay thiết bị ghi hình số. 1.4. ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CAMERA SỬ DỤNG CCD CCD có ưu điểm về khả năng dễ dàng vận hành thiết bị. Cấu trúc nhỏ gọn cho phép CCD lắp trong các camera lưu động, giảm bớt khối lượng thiết bị. Ngoài ra, CCD còn có ưu điểm về tiết kiệm năng lượng, không chịu ảnh hưởng bởi rung cơ học vốn có ở các thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện. Với các camera dùng 3 chíp CCD cho chất lượng hình ảnh khá cao. Tuy nhiên, với 3 chíp CCD và nhiều phụ kiện kèm theo, máy trở nên cồng kềnh và rất đắt. Với camera chíp đơn thì trái lại, kết hợp nhiều thành tựu tiên tiến của khoa học và kỹ thuật, nên gọn nhẹ, giá thành thấp, phù hợp với người tiêu dùng nên ngày càng được phổ biến. Bảng 1-1 đưa ra các đặc tính kỹ thuật điển hình đối với các loại camera hiện nay. Bảng 1-1.Đặc tính kỹ thuật của camera màu Danh mục Loại camera Dân dụng Bán chuyên nghiệp Quảng bá HDTV Tiêu chuẩn quét 525/60 525/60 525/60 1125/60 Kiến trúc 1-CCD 3-CCD 3-CCD 3-CCD Đóng gói Camcorder Camcorder Camera Bù không gian N.A Có Có Không Kích cỡ quang CCD 1/4 inch 1/3 inch 1/2 inch 1 inch Tốc độ quang tối đa 1,2 f 1,6 f 1,4 f 1,2 f Độ phân giải CCD 270.000 270.000 380.000 2.000.000 Tỷ lệ khung hình 4:3 4:3 4:3 16:9 Độ phân giải dòng tối đa 275 TVL 530 TVL 750 TVL 1000 TVL SNR của video 40 dB 50 dB 60 dB 50 Db Độ rọi tối thiểu > 100 lux 1400 lux @ f/5,6 2000 lux @ f/8 1000 lux @ f/4 Độ tăng ích bình thường 8 lux 60 lux Độ tăng ích cao 2 lux 1 lux (+ 18 dB) 2 lux (+30 dB) Điều khiển từ xa Không Không Có Có Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG 2.1. NGUYÊN LÝ CẤU TẠO 2.1.1. Khái niệm 2.1.1.1. Các vòng chắn trong hệ quang Vòng chắn là chi tiết quan trọng trong các hệ quang. Số lượng, vị trí, hình dáng và kích thước của vòng chắn phụ thuộc vào chức năng của chúng trong mỗi hệ quang. Chúng là các vòng chắn thực, bao gồm: các giá đỡ thấu kính, giá đỡ các bảng chỉ thị, giá đỡ các bảng chỉ thị, giá đỡ các phin lọc, giá đỡ các lăng kính… hoặc các vòng chắn đứng riêng trong hệ. Vòng chắn tham gia trực tiếp vào quá trình tạo ảnh, tăng hoặc giảm lượng quang thông của chùm sáng từ vật vào hệ quang, tăng độ đậm nhạt và độ rõ nét của hình ảnh tạo nên, giới hạn phạm vi vật được tạo ảnh, giảm quang sai, tăng khả năng phân giải… Hình 2-1 mô tả các hình dáng chủ yếu của vòng chắn. 2.1.1.2. Vòng chắn sáng Vòng chắn sáng giới hạn chùm sáng được tạo ảnh. Lượng quang thông qua hệ quang để tạo ảnh nhiều hay ít là do độ lớn vòng chắn sáng quyết định. Ta biết, vật bao gồm nhiều điểm sáng, mỗi điểm sáng đó phát xạ ánh sáng theo nhiều phương khác nhau, song chỉ một phần của chùm sáng đó qua hệ quang tham gia tạo ảnh. Chùm sáng này được giới hạn bởi góc khối omega kể từ vật bao quanh đường kính thấu kính. Các tia sáng nằm ngoài thấu kính này sẽ không qua thấu kính để tạo ảnh (hình 2-2). Ngoài ra còn có các vòng chắn khác, nằm trước và sau thấu kính. Nếu các vòng chắn này trực tiếp giới hạn chùm sáng từ vật (P) tạo ảnh (P’) thì nó là vòng chắn sáng chứ không phải giá đỡ thấu kính làm nhiệm vụ của vòng chắn sáng nữa. Trên hình 2-3, P’ là ảnh của điểm P, được tạo thành qua hệ quang gồm thấu kính có giá đỡ Vvk và vòng chắn V nằm phía trước thấu kính. Ở đây, vòng chắn V là vòng chắn sáng, các tia sáng đi qua nó sẽ tạo ảnh P’. Giá đỡ Vvk không phải là vòng chắn sáng do ánh sáng ở mép ngoài có thể qua được thấu kính nhưng đã bị vòng chắn V chặn lại. Khi tạo ảnh vòng chắn sáng từ V từ trái sang phải, qua thấu kính sẽ được ảnh vòng chắn sáng V’, V’ được gọi là Pupin ra. Pupin ra giới hạn góc khối của chùm sáng phía sau thấu kính mà trong góc khối đó, chùm sáng tạo ảnh P’. Nếu coi vật điểm nằm trên quang trục, gọi u là góc mở vật, u’ là góc mở ảnh; khi đó mối quan hệ giữa góc mở vật với quang thông đi qua Pupin vào xác định theo biểu thức: (2.1) Trong đó: I – là cường độ sáng [Cd]. -là quang thông [Lm]. Khi trước Pv là môi trường có n 1, biểu thức (2.1) có dạng: (2.1’) Đại lượng A = n.sinu (2.2) được gọi là thủ độ số; n – là chiết suất. Khi vật điểm ở vô cùng, ta có: , hay: (2.3) Đặt thì K được gọi là hệ số mở, trong các camera K chính là thông số f-stop. Do khả năng thu ánh sáng phụ thuộc vào góc mở, nên nó thay đổi theo góc vuông ngược của thông số K. Các thông số K thường chỉ các điểm của góc mở thấu kính (hoặc vừa mở). Một điểm mở K là tỷ lệ số K và biểu thị sự thay đổi cường độ ánh sáng qua thấu kính theo tỷ lệ 2:1. Bảng 2.1 đưa ra các điểm dừng K tiêu biểu và tỷ lệ tốc độ cường độ ánh sáng mà nó biểu thị với K/22 lấy tỷ lệ bằng 1,0. Để cho phù hợp một thông số K được làm tròn. Bảng 2.1 Các điểm dừng K tiêu biểu Số K 2,1 3,0 4,0 5,6 8 11 16 22 Tốc độ đóng-mở 128 64 32 16 8 4 2 1 Tốc độ của thấu kính có thể được xác định bằng khả năng phát ra thông lượng chiếu sáng trên bề mặt ảnh. Tốc độ này là một hàm của góc vuông ngược của thông số K (f-stop) và độc lập với tiêu cự. Vấn đề này không nằm trong phạm vi của đồ án này nên ta không đi sâu vào. 2.1.2. Cấu tạo Cấu tạo chung của Diafram tự động đều có dạng cụ thể như đã trình bầy ở trên. Nó được dẫn động qua một motor mà motor này được điều khiển từ mạch điện tử thông qua mức tín hiệu video được cảm thụ trong chuỗi xử lý tín hiệu. 2.2. ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG DIAFRAM Như ở phần 1.3.5 đề cập, trừ các hệ thống thu chuyên dụng (trong studio), còn với các camera khác, điều khiển lộ sáng là một đặc điểm rất quan trọng. Dưới đây ta sẽ xem xét một số phương pháp điều khiển cùng với môtơ dẫn động Diafram của một số camera. 2.2.1. Một số phương pháp điều khiển động cơ dẫn động đóng - mở Diafram. Trên hình 2-4, trước khi cấp cho mạch điều khiển Diafram, tín hiệu được đổi từ dạng tương tự sang dạng số (A/D) 6 bit và các thành phần tần số cao của nó được bộ lọc dạng số tách ra. Phạm vi tần số của bộ lọc số có thể chuyển mạch (chuyển qua VH hay VL) tùy thuộc vào điều kiện của đối tượng và hội tụ. * Khi tín hiệu đầu vào không có thành phần tần số cao đủ rộng (như tình trạng hội tụ kém,…), tín hiệu được chuyển qua bộ lọc tần số thấp (VL) dạng số để cho qua các tín hiệu (dữ liệu). * Khi thành phần tần số cao đủ rộng, tín hiệu được cho qua bộ lọc tần số cao (VH) để làm ổn định sự hoạt động. Để kích thích Diafram, mạch Diafram sử dụng xung PWM từ chân (31) IC306 xử lý tín hiệu chói/màu (Y/C) và tín hiệu từ IC330 chuyển đổi D/A để đưa vào chân (5) IC704 so thế. Qua IC309 vi xử lý DSP và IC330 chuyển đổi D/A, bộ nhớ EEPROM cung cấp tín hiệu phân cực PWM, vốn được lưu trữ trong EEPROM như là dữ liệu, bằng cách dùng tính cố định của biến trở điện tử (EVR). Tùy thuộc vào cường độ sáng ở đầu vào mà độ rộng xung PWM tại chân (31) IC306 thay đổi. - Cường độ sáng quá yếu, chu kỳ cao của xung PWM ra sẽ dài. - Cường độ sáng quá mạnh, chu kỳ thấp của xung PWM ra sẽ dài. Khi chân (5) IC704 cao, điện thế ngả ra, chân (7) IC704 đưa vào transistor này thông, mở dòng qua cuộn dây kích thích, chỉnh cấp thô (đóng hay mở) Diafram. Việc đóng mở Diafram làm phát sinh điện thế trên cuộn dây điều khiển, điện thế này hồi tiếp về IC704, tạo tác động chỉnh từ từ (chỉnh cấp tinh) tầm hoạt động của Diafram (sở dĩ như vậy là do, khi dòng điện cuộn dây kích thích chảy qua nhiều, cửa điều sáng sẽ bị tổn hại do việc mở hay đóng cửa quá nhanh). IC HALL trong mạch theo dõi tình trạng của cửa điều sáng, cấp cho hai mạch điện (qua IC703 khuyếch đại thuật toán). Một vào chân (6) IC704 để điều chỉnh sự di chuyển của của điều sáng. Một cấp cho chân (9) IC702 (AF DSP) để thay đổi tốc độ motor cũng như chọn bộ lọc số. Trên hình 2-5, bốn Transistor làm việc cộng hưởng chung để tạo cân bằng cho nguồn điện đưa ra motor. Các Transistor Q1 và Q2 mắc nối tiếp nhau sẽ tạo cân bằng với dòng điện ở phần các Transistor Q3 và Q4. Nếu cân bằng thì sẽ không có dòng ra motor để dẫn động bộ Diafram. Nếu có sự cộng hưởng từ nguồn sáng với sự cân bằng chung, tùy thuộc vào độ rọi lớn hay bé của vật cảnh lên CCD, các OP-AMP sẽ đưa ra dòng điện dương hay âm cấp cho motor để đóng – mở Diafram. Motor được sử dụng như tải colector của Q1 được nối như khuyếch đại emitor chung, chuyển tiếp bazơ-emitor của nó nối song song với điện trở R2 và R4 được mắc nối tiếp với nguồn dương của OP-AMP. Khi tín hiệu vào ở trạng thái tĩnh, OP-AMP tiêu thụ dòng điện tĩnh nhỏ (<1 mA). Dòng điện của dây nguồn dương chạy trong OP-AMP, qua R2 và R4 đến mức hiệu số điện thế trên các cực của điện trở này không đủ để phân cực Q1 và Q2. Do vậy, các Transistor bị khóa và không có dòng chảy qua motor. Ngược lại, khi có tín hiệu điều khiển, dòng điện ở các chân OP-AMP tăng lên (khoảng 20mA). Lúc này, điện áp trên các cực của R2 và R4 đủ để mở các Transistor do vậy có dòng chảy qua motor. 2.2.2. Ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển ở trên Các mạch tự động điều chỉnh Diafram trên đây có ưu điểm là khẩu độ (aperture) Diafram được xác định theo thông số f-stop, là con số được lấy chuẩn Quốc tế trong kỹ nghệ phim ảnh. Thông tin về độ lớn của khẩu độ được nhận biết ngay qua IC HALL thông qua thông số f-stop, ứng với mỗi thông số f-stop này đã được mã hóa và lưu trong bộ nhớ EEPROM như là dữ liệu. Từ đó, bộ vi xử lý dễ dàng chọn các bộ lọc và thay đổi tốc độ của mô-tơ chỉnh nét (auto focus). Tuy nhiên chúng cũng có nhược điểm: với sơ đồ mạch hình 2-4, Diafram gồm nhiều lá kim loại mỏng ghép với nhau nên hiện tượng kẹt giữa chúng thường xảy ra trong qúa trình hoạt động. Mặt khác, tín hiệu điều khiển động cơ (ở đây, động cơ có dạng điện kế từ điện) theo độ rộng xung, và khi xung ở mức thấp, Diafram được đóng lại do lực đàn hồi của lò xo nên không đảm bảo đóng mở chính xác. Với mạch điều khiển hình 2-5, tuy điều khiển đóng/mở Diafram theo tín hiệu điện và tránh được hiện tượng kẹt giữa các lá kim loại; nhưng do động cơ (ở đây là động cơ một chiều) điều khiển dẫn động đóng mở Diafram không quay toàn vòng nên gây lãng phí điện năng không tải. Mặt khác, quán tính của động cơ này lớn nên thời gian trễ lớn khi động cơ đảo chiều quay cũng như mômen mở máy lớn. 2.2.3. Chọn phương pháp điều khiển tự động Diafram Hình 2-6 mô tả sơ đồ khối của phương pháp điều khiển Diafram tự động mà ta chọn, đây là khối khép kín. Tùy thuộc vào độ rọi yêu cầu trên CCD và độ rọi yêu cầu trên ảnh – tương ứng với mức ngưỡng điện áp đặt vào các bộ so áp, khi mức độ rọi lớn hay bé hơn độ rọi yêu cầu, ngõ ra các bộ so áp sẽ có tín hiệu thuận hay nghịch kích thích động cơ dẫn động đóng - mở Diafram. Do động cơ dạng điện kế từ điện có ưu điểm là tác động gần như tức thời khi có tín hiệu điều khiển do quán tính và mômen mở máy bé, tiêu thụ ít điện năng, tổn hao công suất bé; nên ta chọn động cơ này để dẫn động đóng/mở Diafram. Tín hiệu điều khiển động cơ không phải qua các chuỗi xử lý tín hiệu số, mạch điều khiển rất đơn giản gồm các linh kiện điện tử rời, nhưng điều khiển chính xác và hiệu quả. Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM 3.1. CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG Những đại lượng trắc quang là những đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng phát sáng của nguồn sáng và mức độ sáng của mặt vật được chiếu sáng. 3.1.1. Quang thông Gọi là năng thông của các sóng sáng đơn sắc có bước sóng từ đến truyền qua diện tích thì tỷ số là một hàm số phụ thuộc : (3.1) gọi là hàm phân bố năng lượng sáng. Năng thông sóng có đơn vị đo là watt (W). Từ (3.1), ta có: (3.2) Do đó năng thông của các sóng sáng có bước sóng từ đến truyền qua diện tích sẽ là: (3.3) Những sóng sáng đơn sắc có cùng năng thông nhưng có bước sóng khác nhau sẽ gây nên những cảm giác sáng có cường độ khác nhau. Với sóng sáng đơn sắc có bước sóng (xanh lục) gây nên cảm giác sáng có cường độ mạnh nhất. Với những sóng sáng có hoặc , cường độ cảm giác sáng giảm rất nhanh. Những sóng điện từ có bước sóng (tử ngoại) và (hồng ngoại) không gây ra cảm giác sáng. Nếu là năng thông của sóng sáng đơn sắc và là năng thông của sóng sáng đơn sắc gây ra cảm giác sáng có cùng cường độ thì tỷ số sẽ là một hàm số phụ thuộc bước sóng : (3.4) được gọi là hàm nhậy sáng. Hình 3-1 là đồ thị biểu diễn phụ thuộc vào , trong đó: =1 ứng với bước sóng . <1 trong khoảng . =0 khi hoặc . Như vậy, để đặc trưng cho năng lượng của sóng sáng cả về mặt sinh lý (tác dụng gây nên cảm giác sáng), ta phải đưa vào một đại lượng vật lý gọi là quang thông. Quang thông của sóng sáng đơn sắc có bước sóng từ đến truyền qua mặt được xác định theo biểu thức: (3.5) Thay giá trị của trong (3.2) vào (3.5), ta có: (3.6) Do đó quang thông của mọi sóng sáng đơn sắc truyền qua mặt bằng: (3.7) Vậy, quang thông của các sóng sáng truyền qua mặt là đại lượng có trị số bằng phần năng thông sóng sáng gây ra cảm giác sáng truyền qua mặt . Đơn vị đo của quang thông là lumen (lm). 3.1.2. Cường độ sáng Cường độ sáng I của nguồn sáng điểm S theo phương y là một đại lượng vật lý có trị số bằng quang thông sóng sáng truyền đi trong một đơn vị góc khối theo phương đó. Góc khối nhìn mặt từ điểm S là phần không gian giới hạn trong mặt nón có đỉnh tại S và có các đường sinh tựa trên chu vi của mặt . Đơn vị đo của góc khối là steradian (sr). Gọi r là khoảng cách từ điểm S đến mặt , là góc giữa pháp tuyến của mặt và phương truyền sáng y, là hình chiếu của mặt trên mặt phẳng vuông góc với phương truyền sáng y. Khi đó, từ hình 3-2 ta suy ra: (3.8) Nếu là quang thông của sóng sáng phát ra từ nguồn điểm S truyền đi trong góc khối , thì ta có: (3.9) Nói chung, cường độ sáng thay đổi theo phương phát sáng của nguồn sáng, nghĩa là: , với và là góc chỉ phương trong hệ tọa độ cầu. Nếu cường độ sáng theo mọi phương như nhau (I = const) thì nguồn sáng được gọi là nguồn đẳng hướng. Quang thông toàn phần do nguồn điểm đẳng hướng truyền đi trong toàn không gian bằng: (3.10) Đơn vị đo cường độ sáng là candela (cd). Candela là cường độ sáng phát ra từ một diện tích bằng 1/600.000 m2 của một vật bức xạ toàn phần theo phương vuông góc với diện tích này ở nhiệt độ đông đặc của platin dưới áp suất 101.325 Pa. Theo (3.10), nguồn điểm đẳng hướng có cường độ 1 cd sẽ phát ra không gian bao quanh nó (ứng với góc khối steradian) một quang thông toàn phần bằng 1 lm. Như vậy, lumen là quang thông của một nguồn điểm đẳng hướng có cường độ sáng 1 candela truyền đi trong góc khối 1 steradian. 3.1.3. Độ trưng sáng và độ chói sáng Nguồn sáng có kích thước xác định không thể bỏ qua so với khoảng cách từ nó đến vị trí cần quan sát gọi là nguồn khối. Khả năng phát sáng của một nguồn khối phụ thuộc vào diện tích mặt phát sáng và phương phát sáng của nguồn đó. Vì thế nó được đặc trưng bằng hai đại lượng khác nhau: độ trưng sáng và độ chói sáng. 3.1.3.1. Độ trưng sáng Độ trưng sáng của một nguồn khối là đại lượng vật lý có trị số bằng quang thông toàn phần phát ra từ một đơn vị diện tích mặt ngoài của nguồn đó (theo mọi phương) trong không gian. Nếu là quang thông toàn phần phát ra từ phần tử diện tích ngoài của nguồn khối thì độ trưng sáng của phần tử diện tích sẽ bằng: (3.11) Đơn vị đo của độ trưng sáng là lumen trên mét vuông (lm/m2). Lumen trên mét vuông là độ trưng sáng của một nguồn khối mà cứ một mét vuông mặt ngoài của nó phát ra một quang thông toàn phần 1 lumen. 3.1.3.2. Độ chói sáng Độ chói sáng của một nguồn khối theo phương phát sáng y là một đại lượng vật lý có trị số bằng cường độ phát sáng do một đơn vị diện tích mặt ngoài của nguồn khối phát ra theo phương đó. Nếu là quang thông do phần tử diện tích vô cùng nhỏ của nguồn khối phát ra trong góc khối thì độ chói sáng của theo phương y sẽ bằng: (3.12) Trong đó là cường độ sáng của theo phương phát sáng y, là hình chiếu của mặt trên mặt phẳng vuông góc với phương phát sáng y, còn là góc giữa phương y và pháp tuyến của mặt (hình 3-3). Tương tự, độ chói sáng cũng được dùng để đặc trưng cho mặt phản xạ ánh sáng truyền tới nó. Nói chung, độ chói sáng thay đổi theo phương phát sáng của nguồn sáng, tức là , với và là các góc chỉ phương trong hệ tọa độ cầu. Nếu độ chói sáng theo mọi phương đều bằng nhau (B = const) thì nguồn khối gọi là nguồn sáng Lambert. Người ta chứng minh được rằng độ trưng sáng R và độ chói sáng B của nguồn Lambert liên hệ với nhau bởi hệ thức: (3.13) Đơn vị đo của độ chói là nit (nt) hay candela trên mét vuông (cd/m2). Nit hay candela trên mét vuông là độ chói sáng của một mặt phát sáng theo phương vuông góc với nó, nếu theo phương này, cường độ sáng của một mét vuông mặt phát sáng là 1 candela. Mắt có thể thấy được độ chói nhỏ nhất vào cỡ . Dưới đây là bảng số liệu về độ chói của một số mặt phát sáng: Mặt phát sáng Độ chói sáng (nit) Đèn ống phát sáng 1000 Đèn dây tóc phát sáng Mặt trăng ngày rằm nhìn qua khí quyển 2500 Mặt trời ngày quang mây 3.1.4. Độ rọi sáng Độ rọi sáng trên mặt vật là một đại lượng vật lý có giá trị số bằng quang thông toàn phần truyền tới một đơn vị diện tích của mặt vật đó. Nếu là quang thông toàn phần truyền tới phần tử diện tích của mặt vật thì độ rọi sáng trên mặt vật sẽ bằng: (3.14) Đối với phần tử diện tích được rọi sáng bởi nguồn sáng điểm S có cường độ sáng I phát ra trong góc khối chắn bởi diện tích (hình 3-2) thì theo (3.8) và (3.9), quang thông truyền tới diện tích sẽ bằng: (3.15) Trong đó r là khoảng cách từ nguồn điểm S đến diện tích và là góc hợp bởi phương truyền sáng y với pháp tuyến của diện tích . Thay (3.15) vào (3.14), ta tìm được độ rọi sáng trên diện tích của mặt vật bằng: (3.16) Vậy: độ rọi sáng trên mặt vật được rọi sáng bởi nguồn điểm có trị số tỷ lệ thuận với cường độ sáng và cosin góc tới của chùm sáng truyền đến mặt vật và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn điểm đến mặt vật đó. Vì độ rọi sáng E và độ trưng sáng R có cùng thứ nguyên nên để phân biệt, người ta gọi đơn vị đo độ rọi sáng là lux (lx). Lux là độ rọi sáng trên mặt của một vật mà mỗi mét vuông của mặt vật đó nhận được quang thông 1 lumen truyền tới. Dưới đây là bảng số liệu về độ rọi trên mặt của một số vật: Địa điểm và điều kiện rọi sáng Độ rọi sáng (lux) Trong phòng ban ngày 100 Trên bàn làm công việc tinh vi Đọc sách Sáng trăng đêm rằm trên mặt đất 0,2 3.1.5. Định luật Lambert Dù ánh sáng qua bề mặt trong suốt, hoặc ánh sáng được phản xạ trên bề mặt mờ, hoặc ánh sáng chịu cả hai hiện tượng trên bề mặt mờ, một phần ánh sáng được mặt này phát lại theo hai cách sau đây: (1) Sự phản xạ hoặc khúc xạ đều tuân theo các định luật của quang hình học hay định luật Descartes. (2) Sự phản xạ hoặc truyền khuyếch tán theo định luật Lambertertau. Trong đó cách nào chiếm ưu thế là tùy thuộc vào vật liệu sử dụng. Công thức cuối cùng của định luật Lambert như sau: (3.17) Trong đó gọi là hệ số phản xạ. Khi hệ quang có hệ số truyền qua (3.17) trở thành: (3.18) Tóm lại, ta gọi độ sáng M là tỷ số quang thông phát bởi nguyên tố diện tích, cho dù nguyên nhân phát sáng có thể là phản xạ, truyền dẫn hay phát xạ nội tại như mặt cảm nhận ánh sáng của camera. 3.2. TÍNH TOÁN HÀM ĐỘ RỌI CỦA ẢNH TRÊN CCD [1] Xét một phần tử góc khối vô cùng nhỏ , các kí hiệu khác được cho trên hình 3-4. Khai triển một phần tử vành khăn trên , gọi dS là diện tích của phần tử vành khăn này (hình 3-4), ta có các quan hệ sau: Từ (3.9) và coi cường độ sáng của đối tượng thu hình phân bố theo định luật Lambert (), ta suy ra: , do đó ta có: (3.19) Độ chói B và cường độ sáng I có quan hệ sau: = (3.20) Trong đó: – là cường độ sáng từ vật theo hướng thu hình. - là góc hợp bởi hướng thu hình và pháp tuyến với vật thu hình. - là hình chiếu của đối tượng quay có diện tích S lên mặt phẳng vuông góc với hướng thu hình. Biểu thức (3.20) cho thấy rằng, nếu đối tượng quay phát xạ theo định luật Lambert thì độ chói B không thay đổi theo hướng quay. Thay (3.20) vào (3.19), nhận được: (3.21) Từ (3.14), chú ý đến (3.17) và (3.21), ta có: (3.22) Từ hình 3-5, ta có: (3.21) Thay (3.21) và (3.20) vào (3.19), ta nhận được: (3.22) Biểu thức (3.22) cho thấy rằng, độ rọi của ảnh không có quan hệ tuyến tính với đường kính của Diafram. 3.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DIAFRAM Các yêu cầu chung của Diafram: -Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. -Gọn nhẹ, dễ lắp ráp vào các máy quay du lịch. -Làm việc êm, không kẹt, ma sát nhỏ. -Lực khởi động nhỏ, quán tính bé, tiết kiệm điện năng. 3.3.1. Các thông số cho trước Hệ quang trong ống kính của camera chuyên dụng gồm bốn thấu kính, tiêu cự chung của cả hệ là 25 mm. Cách bố trí hệ quang được mô tả như trên hình 3-6. Các thông số của hệ quang: Tiêu cự . Hệ số phản xạ . Hệ số truyền qua . Độ rọi . Chọn cỡ của chíp CCD là loại 18 mm (2/3 inch) (hình 3.7). 3.3.2. Thông số thiết kế Xét tam giác (hình 3-8), áp dụng hệ thức lượng trong tam giác, ta có: (3.24) Trong đó: (D là đường kính trung bình của Diafram); ( là tiêu cự của ống kính; z’ là khoảng cách từ tiêu điểm đến mặt phẳng ảnh). Ta được: hay (3.25). Trong (3.24) và (3.25), u’ là góc mở ảnh. Thay (3.25) vào (3.22), ta được: (3.26) Biểu thức (3.26) cho thấy, hàm độ rọi E’ phụ thuộc trực tiếp vào độ chói B và thông số D của Diafram. Rõ ràng là, với một độ rọi xác định, khi D tăng thì B giảm hoặc ngược lại. Ta lại có (chú ý đến (3.17); (3.22) và hình 3-7): (3.27) Trong đó Khi tính toán thiết kế, phải tính để chế tạo . Vậy: Vì , nên coi . Vậy ta được: 3.3.3. Thiết kế biên dạng của các lá chắn đóng - mở Diafram Biên dạng các lá chắn có dạng đường xoắn ốc Ác-si-mét, nghĩa là có bán kính vector biên dạng thay đổi từ đến với một góc quay hữu hạn (quay không toàn vòng). Ứng với bán kính vector , đường kính trung bình của Diafram sẽ là lớn nhất, và với bán kính vector , đường kính trung bình của Diafram sẽ là nhỏ nhất. Các lá chắn này được gắn trực tiếp vào trục quay của động cơ một chiều dạng tay đưa (xem chương 4, phần thiết kế-tính toán hệ dẫn động). Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN 4.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ 4.1.1. Một số khái niệm cơ bản 4.1.1.1. Từ trường chính và từ trường cản Trong máy điện, các cực từ có cực tính khác nhau, bố trí đan xen nhau, từ thông đi từ cực bắc N, qua khe hở phần ứng về cực nam S làm thành mạch kín. Từ thông này, gọi là từ thông chính , cảm ứng nên sức điện động (s.đ.đ) trong dây quấn khi phần ứng quay và tác dụng với dòng điện trong dây quấn sinh ra mô men. Phần từ thông không đi qua phần ứng gọi là từ thông cản , không cảm ứng nên s.đ.đ và mô men trong phần ứng, nhưng nó làm cho bão hòa từ và gông từ tăng lên. Vậy, từ thông cực đại là: (4.1) Với là hệ số tản từ, thường . 4.1.1.2. Sức từ động cần thiết sinh ra từ thông. Theo định luật toàn dòng điện, trong mạch từ kín, tổng s.đ.đ bằng tích phân vòng của cường độ từ trường trong mạch trong mạch từ đó: (4.2) Nếu chia mạch từ làm năm đoạn: khe hở, răng phần ứng, lưng phần ứng, cực từ và gông từ. Khi đó (4.2) trở thành: (4.3) Trong đó , r, u, c, g lần lượt là chỉ số chỉ khe hở, răng phần ứng, lưng phần ứng, cực từ và gông từ; h là chiều cao; l là chiều dài. - sức từ động cho một đôi cực. Nếu ở trong không khí, cường độ từ trường cho bởi: (4.4) Với là từ cảm trên các đoạn, , , là từ thông, tiết diện, hệ số từ thẩm của các đoạn. Do trong sắt từ, thay đổi, nên tìm H theo đường đặc tính từ hóa vật liệu. a. Tính sức từ động khe hở Giả sử đường cong phân bố từ cảm là hình chữ nhật, chiều cao ; đáy , b’ là cung tính toán lực từ; là bước cực - khoảng cách giữa hai cực từ tính trên chu vi phần ứng (D là đường kính phần ứng, p là số đôi cực); là hệ số tính toán của cung cực từ. Nếu kể đến khe hở răng, khi đó: (4.5) Trong đó: (4.6) là hệ số khe hở ( là bước răng; là chiều rộng đỉnh răng). Khi chiều dài lõi sắt có rãnh thông gió hướng tâm, thay b’ bởi gọi là chiều dài tính toán phần ứng, với: (4.7) Trong đó: - chiều dài cực từ theo trục máy; - chiều dài lõi sắt phần ứng không tính đến rãnh thông gió; - chiều dài thực lõi sắt; - số rãnh và chiều rộng rãnh thông gió. Vậy, với từ thông chính nào đó, từ cảm khe hở: (4.8) S.t.đ khe hở: (4.9) b. Tính s.t.đ răng Xét một tiết diện đồng tâm với mặt phần ứng, cách đỉnh răng một khoảng x. Khi đó: (4.10) Trong đó: - từ thông đi qua răng; - từ thông đi qua rãnh. Chia hai vế (4.10) cho tiết diện mặt cắt của răng; (4.11) Đại lượng gọi là từ cảm tính toán của răng; (4.12). Trong đó: - tiết diện của rãnh; - từ cảm và cường độ từ trường trong tiết diện rãnh đã cho; (4.13)- hệ số răng phụ thuộc vào kích thước răng và rãnh; - tiết diện bước răng ở độ cao x; - bước răng ở độ cao x; - chiều dài lõi sắt; - hệ số ép chặt lõi sắt. Khi mặt cắt hình trụ ngang răng và rãnh ở độ cao x là đẳng trị của từ trường thì . Do đó, theo (4.11) và (4.12) ta có: (4.14) (4.15) Trong đó: - chiều dài tính toán và chiều dài thực lõi sắt; - chiều rộng răng ở độ cao x; - hệ số ép chặt; - bước răng phần ứng. Trị số tính toán của cường độ từ trường trung bình bằng: (4.16) Nếu gọi là chiều cao răng, s.t.đ răng đối với một đôi cực là: (4.17) c. Sức từ động ở lưng phần ứng Từ cảm ở lưng phần ứng cho bởi: (4.18). Trong đó: - từ thông phần ứng; - tiết diện lưng phần ứng; - chiều cao phần ứng. Vậy, sức từ động trên lưng phần ứng sẽ là: (4.19) d. Tính sức từ động trên cực từ và gông từ Từ thông đi qua dưới cực từ lớn hơn từ thông chính , , với . Từ thông trong gông từ bằng: . Nếu coi từ thông trên cực từ và gông từ không đổi, từ cảm trên cực từ và gông từ bằng: (4.20). Trong đó: - tiết diện cực từ và gông từ. Vậy, s.t.đ trên cực từ và gông từ bằng: (4.21). Trong đó: - chiều cao cực từ; - chiều dài trung bình của gông từ. 4.1.1.3. Quan hệ điện - từ trong máy điện một chiều. a. Mô men điện từ và công suất Lực điện từ tác dụng lên từng thanh dẫn có giá trị: (4.22) Mô men điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng là: (4.23). Trong đó: N- tổng số thanh dẫn của dây quấn; - dòng điện trong mạch nhánh; - từ cảm trung bình của khe hở; số đôi mạch nhánh; l- chiều dài tác dụng của thanh dẫn; D- đường kính ngoài phần ứng. Vì nên: (4.24). Trong đó: - từ thông dưới mỗi cực, Wb; - hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy điện. Công suất ứng với mô men điện từ đưa ra gọi là công suất điện từ: (4.25). Trong đó: M- mô-men điện từ; - vận tốc góc phần ứng; Thay (4.24) vào (4.25), nhận được: (4.26) b. Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng Công suất mà động cơ điện nhận được từ lưới vào là: (4.27). Trong đó: - dòng điện từ lưới vào ( là dòng điện vào phần ứng; là dòng điện kích thích); U- điện áp ở đầu cực máy. Công suất , một phần cung cấp cho mạch kích thích , một phần đi vào phần ứng , tiêu hao một ít trên dây quấn đồng trên mạch phần ứng , còn lại là công suất điện từ: (4.28) Công suất điện từ, sau khi chuyển thành công suất cơ thì còn tiêu hao một ít để bù vào công suất không tải . Cuối cùng, phần còn lại là công sụất đưa ra ở đầu trục . Vậy: (4.29) Từ (4.27) và (4.28), ta có công suất trong mạch phần ứng là: (4.30) Chia hai vế của (4.30) cho , ta được: (4.31) Phương trình (4.31) được gọi là phương trình cân bằng s.đ.đ của động cơ điện một chiều. Mặt khác, từ (4.29) ta có: hay (4.32). Trong đó: - mô-men đưa ra đầu trục máy; - mô-men không tải. Quan hệ (4.32) gọi là phương trình cân bằng mô-men của động cơ điện một chiều. 4.1.1.4. Đặc tính của động cơ điện một chiều a. Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều Đặc tính cơ n = f(M) có thể xác định bằng biểu thức: (4.33) Vì , nên (4.33) trở thành: (4.34) Trong đó, - là hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy và dây quấn. Để xác định điều kiện làm việc ổn định của hệ truyền động, ta xét các đặc tính M = f(n) của động cơ và của tải. Ở hình 4-11a, sự tăng tốc ngẫu nhiên nào đó () thì và động cơ điện bị hãm lại để trở về tốc độ ban đầu ứng với điểm P. Cũng như vậy, khi giảm tốc độ đột nhiên , động cơ được gia tốc và đạt tốc độ . Đây là trường hợp động cơ làm việc ổn định. Vậy điều kiện làm việc ổn định của động cơ sẽ là: (4.35) Ở hình 4-11b, M = f(n) và Mc = f(n) thì việc tăng tốc độ đột nhiên sẽ làm cho động cơ có mô-men gia tốc dương, khiến cho tốc độ tiếp tục tăng mãi, hoặc sự giảm tốc độ sẽ làm cho tốc độ tiếp tục giảm. Vậy, truyền động làm việc không ổn định khi: (4.36) Từ (4.24) có thể thấy rằng, để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, có thể thực hiện bằng cách thay đổi các đại lượng . b. Động cơ điện kích thích song song hoặc kích thích độc lập Với những điều kiện khi M (hoặc In) thay đổi, từ thông của động cơ cũng hầu như không đổi, do ảnh hưởng làm giảm bớt từ thông của phản ứng ngang trục của phần ứng rất nhỏ nên (4.34) có thể viết lại như sau: (4.37) Đặc tính cơ của động cơ kích thích song song là một đường thẳng như hình 4-12. Đây còn được gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Vì rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ 0 đến định mức, tốc độ giảm rất ít (từ tốc độ định mức) do đó đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện kích thích song song rất cứng. Động cơ điện kích thích song song được dùng trong trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi. c. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp Ở động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích là dòng điện phần ứng . Vì vậy có thể biểu thị: (4.38) Trong đó - hệ số tỷ lệ, khi , khi , hơi giảm xuống do ảnh hưởng bão hòa của mạch từ. Vậy, biểu thức mô-men sẽ có dạng: (4.39) Thay (4.39) vào (4.34), ta được: (4.40) Nếu bỏ qua thì: , hay (4.41) Quan hệ (4.41) cho thấy, khi mạch từ chưa bão hòa, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng hypecbol bậc hai (đường 1 trên hình 4-13). Rõ ràng, với động cơ này, n giảm rất nhanh khi M tăng và khi mất tải (I = 0, M = 0), M có trị số rất lớn. Thực tế, do ảnh hưởng của bão hòa khi tải tăng, tốc độ của động cơ giảm ít hơn theo đường nét đứt (hình 4-13). d. Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp. Động cơ này có thể được chế tạo sao cho tác dụng của các dây quấn kích thích song song và nối tiếp hoặc bù nhau hoặc ngược nhau. Song thường sử dụng loại động cơ điện kích thích hỗn hợp bù vì động cơ điện kích thích hỗn hợp ngược không đảm bảo được điều kiện làm việc ổn định. Đặc tính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bù nằm trung gian giữa hai loại động cơ kích thích song song và kích thích nối tiếp. Đặc tính cơ của các loại động cơ điện nói trên như hình 4-14. Trong đó, đường 1- động cơ điện kích thích hỗn hợp bù; đường 2- động cơ điện kích thích hỗn hợp ngược; đường 3- động cơ điện kích thích song song; 4- động cơ điện kích thích nối tiếp. 4.1.1.5. Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều gồm các quan hệ n, M, khi . Từ (4.33) và (4.34), ta thấy rằng, về căn bản đặc tính tốc độ có dạng giống các đặc tính cơ. Hình 4-15a mô tả các đặc tính tốc độ của các động cơ theo đơn vị tương đối. Trong đó đường 1- động cơ kích thích song song; đường 4- động cơ kích thích nối tiếp; đường 2 và 3 có tính chất trung gian giữa 1 và 4 - ứng với động cơ kích thích hỗn hợp. Đặc tính mô-men khi biểu thị quan hệ . Ở động cơ kích thích song song nên M phụ thuộc vào theo quan hệ đường thẳng (đường I). Ở động cơ kích thích nối tiếp do đó và dạng đặc tính mô-men là đường parabol (đường IV). Ở động cơ kích thích hỗn hợp, đường đặc tính mô-men là đường trung gian giữa I và IV (đường II và III). Đặc tính hiệu suất khi của các loại động cơ một chiều có dạng như hình 4-15b. Hiệu suất cực đại của động cơ điện một chiều thường được tính toán với dòng điện tải , lúc đó các tổn hao cơ và tổn hao sắt từ bằng tổn hao biến đổi phụ thuộc vào điện trở các dây quấn và tỷ lệ với bình phương của dòng điện . Hiệu suất các động cơ nhỏ . Ở động cơ công suất trung bình và lớn . 4.1.2. Chọn dạng, tính toán và thiết kế động cơ. Các yêu cầu của động cơ: -Tác động nhanh, nhạy và chính xác khi có tín hiệu điều khiển. -Quán tính bé, độ ổn định cao. -Tiêu thụ ít điện năng, ít tổn hao công suất. -Nhỏ gọn, dễ chế tạo, giá thành hạ. Để thỏa mãn các yêu cầu trên và do yêu cầu về công suất không cao, nên ta chọn động cơ dạng điện kế từ điện (VOM). Động cơ thiết kế có cấu tạo tương tự như động cơ điện kích thích độc lập với cực từ là nam châm vĩnh cửu. Rô to được chế tạo theo kiểu phần ứng rỗng, dẹt và không quay toàn vòng. a. Nam châm [12] được chế tạo từ thép hợp kim Fe-Ni-Al (alni) được dùng làm nam châm vĩnh cửu mạnh, kích thước bé. Giá trị rất cao: và cảm ứng từ dư . Ở đây ta sử dụng nam châm dạng lá phẳng, hình vòng cung, góc chắn cung là , chiều rộng bản l = 12 mm. Để tạo ra từ trường đều, ta ghép hai nam châm hoàn toàn như nhau, song song với nhau như mô tả trên hình 4-17. Chọn nam châm có từ cảm B = 0,8 T. b. Dây quấn phần ứng bằng đồng, tiết diện tròn, bọc sơn cách điện và được quấn sao cho các cạnh tác dụng của chúng nằm ở giữa hai nam châm và đi qua tâm các nam châm. Góc giữa các cạnh tác dụng của chúng là . Số vòng dây quấn là vòng, chiều dài mỗi vòng dây quấn như vậy sẽ là (hình 4-16): c. Góc quay lớn nhất của động cơ là , với tốc độ quay chọn là . Cường độ dòng điện cấp vào phần ứng của mỗi động cơ là , điện áp trên đầu cực mỗi động cơ là . Công suất điện mà mỗi động cơ nhận được sẽ là (W). d. Do các tổn hao cơ, tổn hao phụ là nhỏ có thể bỏ qua, vì vậy theo (4.28), ta có: (4.42) Lực điện từ tác dụng lên từng thanh dẫn của mỗi động cơ theo (4.22), bằng: Mômen điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng của mỗi động cơ theo (4.23), bằng: (4.43) Mặt khác, theo (4.25): (4.25’). Từ (4.42), (4.43), (4.25’) ta được: , hay: Trong đó: R, r- lần lượt là bán kính vành trong, vành ngoài của nam châm (R= 20 mm, r = 8 mm); - điện trở dây quấn phần ứng. Ta lại có: . Trong đó: - là điện trở suất của đồng; - chiều dài của dây quấn; - bán kính tiết diện dây dẫn. Ta rút ra: Vậy đường kính của dây quấn phải là . *). Để khử khe hở, tránh va đập khi động cơ đảo chiều quay và nâng cao độ ổn định cho hệ thống, ta dùng lò xo xoắn Ác-si-mét gắn vào trục quay của mỗi động cơ. Tuy nhiên, ở trạng thái tĩnh mômen quay , tác dụng lên trục quay được cân bằng với mômen phản tác dụng của lò xo: , với c là độ cứng của lò xo; nhưng khi đưa hệ thống ra khỏi vị trí cân bằng, dấu của thay đổi làm hệ thống chuyển động qua lại vị trí cân bằng, nên xuất hiện dao động riêng của hệ thống. Lợi dụng từ trường của nam châm, ta sẽ xác định độ cứng của lò xo cho phù hợp, khi đó dao động riêng của hệ thống sẽ được khử. Mô hình hóa hệ thống như hình 4-16*. Áp dụng định lý biến thiên mômen động lượng đối với trục quay, ta có [9]: (*) Trong đó: là mômen quán tính của hệ thống đối với trục quay. Do nhỏ, nên ta coi gần đúng ta nhận được phương trình vi phân dao động của hệ: (**) Hay: (3*) Đặt , phương trình (3*) trở thành: (4*) Theo lý thuyết phương trình vi phân tuyến tính, phương trình đặc trưng của (4*) là: (5*) Tùy theo quan hệ giữa và , có thể xảy ra các trường hợp sau: - lực cản nhỏ, (5*) có nghiệm . - lực cản tới hạn, (5*) có nghiệm . - lực cản lớn, (5*) có nghiệm . Như vậy, để hệ không có khả năng dao động, phải có: (6*) Trong các biểu thức trên: - độ cản (ở đây là độ cản từ); - tần số dao động riêng; c- độ cứng của lò xo; b- hệ số cản từ; m- khối lượng của hệ. Ta có: gam. Trong đó: - khối lượng riêng của đồng; - khối lượng riêng của nhôm. Theo [3], hệ số cản từ cho bởi công thức: (g.rad/s), trong đó: - cảm ứng từ khe hở; =1,2cm- chiều rộng cực từ; =a=1,4cm- khoảng cách từ tâm cực từ tới trục quay; =59,2- điện trở phần ứng. Khi đó: Thay các giá trị ở trên vào biểu thức (6*), nhận được: Vậy, để hệ thống ổn định, không dao động khi không có tín hiệu điều khiển, phải chọn lò xo xoắn Ác-si-mét có độ cứng gắn vào trục động cơ. 4.2. CẢM BIẾN QUANG VÀ CHỌN CẢM BIẾN QUANG 4.2.1. Một số cảm biến quang thông dụng 4.2.1.1. Phôtô điốt Phôtô điôt là các linh kiện quang điện tử bán dẫn sử dụng hiệu ứng quang điện nội. Hiệu ứng này nói lên quá trình biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Nội dung của hiệu ứng quang điện nội: Dưới tác dụng của năng lượng bức xạ ánh sáng chiếu vào, trong miền chuyển tiếp p-n xảy ra sự ion hóa các nguyên tử của chất cơ bản và tạp chất làm sản sinh ra các cặp điện tử và lỗ trống. Dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc của chuyển tiếp, lỗ trống đi về bán dẫn loại p, điện tử đi về bán dẫn loại n hình thành hiệu điện thế dưới hai điện cực gọi là sức điện động . Mạch ngoài nối liền với chuyển tiếp p-n này sẽ có dòng điện chạy qua gọi là dòng phôtô . Phôtô điốt có thể làm việc trong hai chế độ: Chế độ phát phôtô (hình 4-18a). Chế độ bộ biến đổi quang điện (hình 4-18b). Chế độ phát phôtô: Khi cho tiếp xúc bán dẫn p-n ở mặt tiếp giáp tạo nên thế tiếp xúc . Khi chưa chiếu sáng và không tải (mở K), dòng khuyếch tán là dòng các hạt tải cơ bản cân bằng với dòng cuốn dòng các hạt tải không cơ bản: (4.44) Khi bán dẫn được chiếu sáng, cường độ bức xạ trong lớp chuyển tiếp p-n xảy ra sự ion hóa chất bán dẫn sinh ra những cặp điện tích lỗ trống và điện tử. Điện trường tiếp xúc của lớp chuyển tiếp làm cho lỗ trống bị cuốn về miền p, còn bị cuốn về miền n. Nghĩa là tạo nên một dòng bổ sung các hạt tải không cơ bản mới sinh ra đó. Mật độ dòng cuốn được xác định: (4.45) Dòng cuốn sẽ tăng lên vì có dòng bổ sung ta gọi là dòng phôtô . Khi đó dòng cuốn toàn phần: (4.46) - Dòng nhiệt khi chưa có chiếu sáng. Suất điện động có tác dụng như phân cực thuận làm giảm độ cao hàng rào thế năng làm giảm dòng khuyếch tán: (4.47) Trong trạng thái cân bằng nhiệt động (K mở) ta có đẳng thức: Thay vào ta có: (4.48) Từ đó giá trị trong chế độ không sinh dòng phôtô được xác định bằng phương trình: (4.49) không vượt quá giá trị vùng cấm của bán dẫn. Khi mắc tải vào (đóng K) dòng chạy qua và điện thế trên cực ngoài của phôtô điốt giảm xuống đến một giá trị nào đó: Khi đó dòng qua tải: (4.50) Từ đó thấy rằng trong chế độ đóng đoản mạch : dòng qua tải chính là dòng phôtô. Khi mắc điện áp ngược ngoài (chế độ biến đổi quang – điện). Khi chưa chiếu sáng chỉ những hạt không cơ bản của riêng chuyển tiếp p-n chuyển động cuốn: Dòng khuyếch tán không có là do dưới tác dụng của nguồn ngoài E, trường bên trong được tăng thêm và hàng rào thế tăng lên. Khi đó một phần lớn điện áp của nguồn ngoài E sụt trên lớp chuyển tiếp có thiên áp ngược, có trở lớn đó là thế . Khi chiếu sáng vào chuyển tiếp p-n nhờ quá trình ion hóa các nguyên tử của tinh thể làm sinh ra các cặp điện tích bổ sung. Các điện tích này được chuyển động định hướng. Như vậy qua tải sẽ có dòng: (4.51) Sự phụ thuộc của dòng qua phôtô điốt vào điện áp đặt vào xác định bằng đặc trưng V-A của điốt (dòng ngược): Hình 4-19a mô tả họ đặc trưng V-A khi . Khi chỉ có dòng nhiệt đi qua điốt. Khi chiếu sáng thì bão hòa tăng tỷ lệ với . Hình 4-19b mô tả đặc trưng chiếu sáng của phôtô điốt. Đó là sự phụ thuộc của dòng quang điện vào cường độ quang thông chiếu vào: . Khi họ đặc trưng là tuyến tính. Từ đặc trưng chiếu sáng ta xác định được độ nhạy tích phân của phôtô điốt: . Dòng cũng phụ thuộc bước sóng ánh sáng chiếu vào. Đó là đặc trưng phổ của phôtô điốt. (hình 4-19c mô tả đặc trưng phổ của điốt loại Ge). Phôtô điốt được dùng để ghi nhận bức xạ ánh sáng. Ví dụ sử dụng trong hệ thu tín hiệu điều khiển từ xa của các TV, đầu video, đầu CD… 4.2.1.2. Phôtô transistor Phôtô transistor là linh kiện quang điện tử bán dẫn, nó là phần tử nhạy quang có cấu trúc như một transistor hoạt động như phôtô điốt nhưng có khả năng khuyếch đại dòng quang điện. Ánh sáng có thể dọi vào B, C, E hoặc đồng thời cả ba miền. Tương tự như transistor, phôtô transistor cũng có hai loại p-n-p và n-p-n. Kí hiệu và cấu tạo của phôtô transistor được mô tả trên hình 4-20 Phôtô transistor có thể mắc trong sơ đồ đo quang theo ba cách như transistor thông thường BC, CC, EC chỉ khác là sơ đồ có thể để trống một chân không mắc. Trên hình 4-21 mô tả các sơ đồ mắc phôtô transistor. Đặc tuyến von-ampe của phôtô transistor được mô tả trên hình 4-22. Trong đó: ; - quang thông; , với - dòng quang điện; - dòng tối khi không có ánh sáng dọi vào ; - dòng ngược của lớp tiếp giáp CB trong sơ đồ bazơ chung. Sự phụ thuộc của dòng colectơ vào quang thông: . Trong đó: - độ nhạy tích phân của phôtô transistor; - quang thông; , với - hệ số khuyếch đại dòng; - dòng bazơ. Phôtô transistor được ứng dụng trong điện báo quang, đo quang thoại lối vào và lối ra thông tin, trong kỹ thuật máy tính, điện ảnh, ghi nhận các ánh sáng nhìn thấy và không nhìn thấy (các mắt thần sensor trong các TV, video, CD có điều khiển từ xa). Phôtô transistor trường Cấu trúc của phôtô transistor trường được mô tả trên hình 4-23. Giữa các bán dẫn loại n ở cực S và D, người ta tạo kênh dẫn loại n. Dòng chạy trong kênh dẫn là dòng các hạt tải điện cơ bản. Khi chiếu sáng ở gần lớp chuyển tiếp giữa kênh dẫn n và đế bán dẫn loại p, các cặp điện tử, lỗ trống dịch chuyển theo hai chiều ngược nhau tạo nên dòng quang điện qua cực cửa, gây sụt áp trên điện trở làm thay đổi điện áp cực cửa. Sự thay đổi dòng cực máng cũng tương tự như là transistor trường thông thường: . Độ nhạy của phôtô transistor trường: . Độ nhạy của phôtô transistor trường lớn hơn nhiều so với độ nhạy của phôtô transistor. Điện trở lối vào của transistor trường lớn, nó có thể làm việc với tín hiệu lớn. Dải truyền . 4.2.1.3. Điện trở quang Điện trở quang là linh kiện bán dẫn thụ động không có lớp chuyển tiếp p-n. Vật liệu chế tạo điện trở quang có thể là CdS, CdSe, ZnS hay các tinh thể hỗn hợp khác. Khi bị chiếu sáng, độ dẫn điện của điện trở quang tăng do các hạt mang điện tích sinh thêm: (4.52). Trong đó: - điện tích của electron; n, p- mật độ electron và lỗ trống; - độ linh động của electron và lỗ trống. Trong cơ chế gia tăng các hạt mang điện tích do sự chiếu sáng, ta có chiều dài sóng giới hạn . Các phôtôn có độ dài sóng lớn hơn không làm sản sinh ra thêm các hạt mang điện tích. . Trong đó: - chiều dài sóng giới hạn tùy theo độ rộng vùng cấm ; - vận tốc ánh sáng trong chân không; h- hằng số Planck. Khi bức xạ có chiều dài sóng , bán dẫn có thể hấp thụ và một cặp electron-lỗ trống được sinh ra. Các đặc tính quan trọng của điện trở quang a. Độ dẫn suất- là hàm số của mật độ năng lượng u với độ dài sóng không thay đổi của ánh sáng: . b. Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ- là hàm số của khi mật độ năng lượng không đổi (hình 4-25): c. Vận tốc làm việc- là thời gian hồi đáp (reponse time) của quang trở khi có sự thay đổi từ sáng sang tối (decay) hay từ tối sang sáng (rise). Thời gian lên được xác định là thời gian cần thiết để quang trở đạt 65% trị số cuối cùng khi được chiếu sáng từ 0 sang 10 lux. Thời gian trễ được xác định là thời gian cần thiết để quang trở thay đổi còn 35% giá trị của nó (so với trị số lúc được chiếu sáng- khoảng 10 lux trong 1 s) khi không còn được chiếu sáng. Với cường độ sáng mạnh, quang trở làm việc nhanh hơn và có khuynh hướng làm việc chậm lại khi trời lạnh. d. Độ lợi - được biểu diễn bằng hai cách: hoặc được xác định bởi số điện tích chạy qua giữa hai điện cực trong mỗi giây cho mỗi photon hấp thụ; hoặc được diễn tả bởi tỷ lệ giữa thời gian sống của một điện tích tự do với thời gian để nó vượt qua giữa hai điện cực: Độ lợi (4.53). Trong đó: - thời gian sống của điện tích tự do; - độ linh động của điện tích; V- điện thế làm việc; L- khoảng cách giữa hai điện cực. e. Tiếng ồn – NEP (noise equivalent power) Trong việc xử lý tín hiệu, đặc biệt là khi tín hiệu bé, chúng ta phải đối phó với tiếng ồn (noise). Do nhiều nguyên nhân khác nhau chúng ta có nhiều loại tiếng ồn. Ví dụ tiếng ồn nhiệt, nó là hiệu ứng do sự phân tải đồng đều năng lượng nhiệt theo mọi hướng. Các hạt tự do nhận lấy các dao động nhiệt này (hình 4-26a ) và chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện, gọi là tiếng ồn điện tử. Đây là hiện tượng luôn tồn tại mà không cần có tác động của bất cứ lực hay điện từ trường nào từ bên ngoài. Như vậy trong mỗi điện trở đều có điện thế tiếng ồn (noise voltage) do sự dao động nhiệt của các electron. Tần số điện thế này trải dài từ tần số thấp nhất đến tần số cao nhất. Tiếng ồn được gọi là “trắng” khi mật độ công suất tiếng ồn dP/df không tùy thuộc vào tần số. Với sai số cho phép, tiếng ồn trong điện trở được coi như “trắng”: Ws (4.54) Công suất tín hiệu của một cảm biến chỉ có thể đo được khi nó lớn hơn công suất tiếng ồn nhiệt gây ra. Để mô tả tiếng ồn của một mạch khuyếch đại người ta thường dùng đến hệ số tiếng ồn (noise factor) F (hình 4-26b). Trong đó là công suất tín hiệu của nguồn tín hiệu và là công suất tiếng ồn nhiệt do điện trở của nguồn tín hiệu gây ra. Ta có ngõ vào của mạch khuyếch đại tỷ lệ tín hiệu – tiếng ồn . Sau mạch khuyếch đại ta có công suất tín hiệu và công suất tiếng ồn với tải . Như vậy ở ngõ ra của mạch khuyếch đại ta có tỷ lệ tín hiệu – tiếng ồn . Khi mạch khuyếch đại không có tiếng ồn, hai tỷ lệ này bằng nhau vì tín hiệu và tiếng ồn cùng được khuyếch đại như nhau. Do vậy tình trạng “xấu đi” của tỷ lệ tín hiệu – tiếng ồn là thước đo mạch khuyếch đại có tiếng ồn nhiều hay ít, và tỷ lệ này sau mạch khuyếch đại chỉ có thể tồi hơn mà thôi. Hệ số tiếng ồn được định nghĩa: (4.54) (4.55) Mạch khuyếch đại lý tưởng có hệ số F = 1 hay . Người ta định nghĩa công suất tiếng ồn tương tự NEP (noise equivalent power) là trị số hiệu dụng công suất xoay chiều của công suất bức xạ có biến điệu 100% để có tỷ lệ tín hiệu trên tiếng ồn bằng 1. (4.56) Đại lượng nghịch đảo của NEP gọi là detectivity D là khả năng dò tìm của một detector: (4.57) Nếu A là diện tích tích cực của một detector và trong trường hợp trị số NEP tỷ lệ với và (trong trường hợp cường độ bức xạ trên cảm biến không thay đổi) ta có một biến tướng của D: (4.58) f. Hệ số nhiệt độ của quang trở, tỷ lệ nghịch với cường độ chiếu sáng. Do đó, để giảm bớt sự thay đổi trị số của quang trở theo nhiệt độ, quang trở cần được cho hoạt động với mức chiếu sáng tối đa. Ở mức chiếu sáng thấp và trị số quang trở cao cho ta sự sai biệt khá lớn so với trị số chuẩn. g. Điện trở tối (dark resistance), nó cho ta “dòng điện rò” lớn nhất với một điện thế trên quang trở. Dòng rò quá lớn sẽ dẫn đến sự sai lệch khi thiết kế mạch điện. h. Đặc tính độ dốc, là quan hệ giữa sự thay đổi của trị số quang trở với sự thay đổi của cường độ chiếu sáng, được biểu diễn bằng thông số (gamma). Thông số này được định nghĩa bởi một đường thẳng nối liền hai điểm đặc biệt trên đường cong quang trở với mức chiếu sáng 10 lux và 100 lux (hình 4-27). k. Điện thế hoạt động, có thể lên đến 0,5kV/mm. Trị số công suất tiêu tán cao nhất hạn chế trị số dòng điện và điện thế. Điện thế hoạt động cao nhất được đo khi quang trở hoạt động trong bóng tối. l. Công suất tiêu tán cao nhất. Khi hoạt động, nhiệt độ bên trong quang trở cần giữ thấp hơn một nhiệt độ cho phép, ví dụ . Hình 4-28 mô tả sự liên hệ giữa công suất tiêu tán cao nhất và nhiệt độ bên ngoài. 4.2.2. Chọn cảm biến. Trên đây là một số cảm biến thường dùng trong các camera ghi hình cũng như máy chụp hình. Ta có thể thấy rằng, so với quang trở, phôtô điôt và phôtô transistor có các ưu điểm sau: Nhạy sáng hơn với trường hợp ánh sáng yếu; Gần giống với quang phổ nhạy sáng của mắt con người, phản ứng với sự thay đổi ánh sáng nhanh hơn. Đặc trưng kỹ thuật về dòng điện và điện thế tuyến tính so với cường độ chiếu sáng. Tuy vậy, hiện trên thị trường có rất ít phôtô điốt và phôtô trasistor sử dụng trong miền ánh sáng nhìn thấy. Do đó trong khuôn khổ của đồ án tốt nghiệp, để cho thuận tiện, cảm biến được chọn là quang trở mà hiện nay đang được bán rất nhiều. Nói chung, qua chạy thử nghiệm, tác giả nhận thấy rằng, độ nhạy và khoảng làm việc tuyến tính đủ để thực hiện ý tưởng trong thiết kế - chế tạo mô hình. 4.3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ. Mạch điện tử điều khiển bốn động cơ mắc song song đóng mở Diafram được thiết kế dựa vào mạch bộ so tương tự, bộ này so sánh giá trị tín hiệu của đầu vào với mức điện áp chuẩn còn gọi là ngưỡng của bộ so. Nó phát ra tín hiệu điện áp bão hòa dương khi giá trị tín hiệu lớn hơn giá trị chuẩn, và bão hòa âm khi giá trị tín hiệu dưới mức chuẩn. Các bộ so phải rất ổn định, chính xác và phải thay đổi trạng thái từ bão hòa dương sang bão hòa âm đối với sự thay đổi rất nhỏ của giá trị đầu vào. Trước khi tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch điện điều khiển này, ta tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một số bộ so có dạng là một OP-AMP. 4.3.1. Sơ đồ nguyên lý của 709. 709 là một OP-AMP có 8 chân, sơ đồ khối và bố trí chân cho trên hình 4-29 Chân 2, 3 là các lối vào của mạch. Chân 6 là lối ra của mạch. Chân 1, 8 là chân bù trừ tần số lối vào. Chân 5 là chân bù trừ tần số lối ra. Chân 7 là chân nguồn . Chân 4 là chân nguồn . Mạch được nuôi bằng nguồn đối xứng . Sơ đồ nguyên lý của mạch như sau (hình 4-29): Mạch sử dụng hai loại transistor n-p-n và p-n-p, và được chia làm bốn tầng: Tầng I: Là tầng khuyếch đại vi sai gồm 2 transistor và hai điện trở gánh được nuôi bởi nguồn dòng không đổi tạo nên bởi . Nguồn này phát ra dòng rất nhỏ. Đây là nguồn dòng có phản hồi âm đi qua hai đường và . Hai mạch phản hồi âm này bù trừ cho nhau làm thế không đổi giữ cho dòng . Transistor có chức năng làm mạch ổn áp để nuôi tầng khuyếch đại vi sai đầu tiên. Điện áp để nuôi tầng khuyếch đại vi sai là điện áp ở emitor của transistor . Giả sử một nguyên nhân nào đó làm giảm đi thì cũng giảm dần tới tăng và kéo theo cũng tăng. Nhờ tầng khuyếch đại vi sai này mà mạch khuyếch đại có khả năng triệt tín hiệu đồng pha và nhờ đó mà mạch có hệ số phẩm chất cao. Tầng II: Là tầng khuyếch đại vi sai gồm các transistor và hai điện trở gánh mắc theo sơ đồ khuyếch đại Darlington. Transistor được đấu theo kiểu điốt cùng với hai điện trở để bù trừ nhiệt cho lớp tiếp xúc BE của transistor . Tầng khuyếch đại này có điện trở lối vào rất lớn, hệ số khuyếch đại rất lớn. Tầng III: Gồm các transistor làm thành một tầng dịch mức để hạ thấp mức điện áp một chiều ở lối ra của tầng khuyếch đại vi sai thứ hai sao cho phù hợp với mức điện áp lối vào của tầng khuyếch đại công suất lối ra. Tầng IV: Là tầng khuyếch đại công suất ra gồm các transistor . Trong đó được mắc theo kiểu emitor chung và trở tải là tạo thành tầng tiền khuyếch đại công suất là hai transistor có độ dẫn khác nhau n-p-n và p-n-p được mắc theo sơ đồ kiểu đẩy kéo. Nửa chu kỳ dương và ngắt và ngược lại. Cách mắc này thường dùng để khuyếch đại công suất. Để nâng cao tính ổn định của tầng khuyếch đại công suất, người ta dùng làm mạch phản hồi âm. Về thực chất, khuyếch đại kéo đẩy cũng là sơ đồ mắc theo kiểu colector chung, nhưng thực hiện với hai transistor khác loại. Thật vậy, từ sơ đồ ta thấy được đấu theo sơ đồ colector chung với transistor đóng vai trò trở tải động của nó, mặt khác cũng được mắc theo kiểu colector chung với trở tải động của nó là . Tín hiệu pha ở chân 1, 8 ngược pha để sửa đặc trưng tần số. Người ta mắc nối tiếp giữa hai chân các tụ và điện trở để tạo mạch phản hồi âm. Tùy theo các giá trị của điện trở và tụ điện mà ta được các đặc trưng tần số có dạng khác nhau. Điện áp ở hai chân 5, 6 ngược pha nhau. Người ta thường mắc thêm tụ nối giữa hai chân này để sửa đặc trưng tần số của tín hiệu lối ra. 4.3.2. Sơ đồ nguyên lý của 741 Sơ đồ cấu trúc của 741 được mô tả trên hình 4-30. Tham số của bộ so 741 được cải thiện nhiều so với 709: điện áp vào cho phép cao hơn, bù lệch không đơn giản hơn, có mạch hạn dòng, có bù tần số bên trong mạch. Tầng vào mắc theo kiểu kaskode bù dùng transistor n-p-n có hệ số khuyếch đại dòng cao và transistor p-n-p có hệ số khuyếch đại dòng thấp. Trong mạch emitor tầng vào có nguồn dòng . Hệ số khuyếch đại điện áp tầng vào khoảng , dòng tĩnh rất nhỏ. Một bộ khuyếch đại vi sai gồm mắc theo kiểu cộng pha, biến điện áp vào đối xứng thành điện áp ra không đối xứng. Tầng thứ 2 mắc theo sơ đồ Darlington, có trở kháng vào lớn và có tải là . Mạch có hệ số khuyếch đại lớn hơn 50dB. Tầng công suất ra mắc theo kiểu đẩy kéo gồm được nối với mạch hạn dòng . Nếu dòng qua tăng quá giới hạn thì dòng qua bazơ tăng, dòng này qua làm cho dẫn, do đó dòng bazơ của bị hạn chế và tạo thành mạch dịch mức, nó được kết cấu sao cho dòng tĩnh tăng ra có giá trị khoảng . có tác dụng quyết định đối với dòng tĩnh của toàn mạch. Mạch bù tần số trong nhờ tụ làm cho đặc tính tần số của OP-AMP giảm với độ dốc -20dB/D trong khoảng tần số và tần số đơn vị . Ở tần số lớn hơn 5Hz, mạch Darlington gồm làm việc như một mạch tích phân. Mạch bù trong rất tiện lợi cho người sử dụng, nhưng trong một số trường hợp không cần thiết thì nó gây lãng phí về dải tần và tốc độ đáp ứng. Vì vậy người ta đã chế tạo 478 hoàn toàn tương đương với 741 nhưng không có mạch để bù trong. Trên đây là hai loại OP-AMP rất thông dụng, trong mạch điện điều khiển động cơ dưới đây sẽ chọn OP-AMP 741. 4.3.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điện điều khiển động cơ đóng – mở Diafram. Sơ đồ nguyên lý của mạch điện điều khiển động cơ đóng – mở Diafram được mô tả trên hình 4-31. Tín hiệu điện áp chuẩn ứng với mức cường độ sáng xác định trước từ camera được đưa vào chân số 3 (ngõ vào không đảo) của OP-AMP 741, một thang điện trở biến đổi sẽ thiết lập các giá trị chuẩn ở các mức khác nhau. Quang trở LDR có trị số điện trở thấp khi cường độ ánh sáng lớn và ngược lại có trị số điện trở cao khi cường độ ánh sáng thấp, được bố trí ở ngõ vào không đảo (chân số 2). Khi trị số điện trở tăng (khi cường độ ánh sáng thấp), điện áp ở ngõ vào đảo của các OP-AMP thấp hơn điện áp ngõ vào không đảo, do đó, ở ngõ ra (chân số 6) của các OP-AMP bão hòa dương, các transistor ngưng dẫn. Trong khi đó các transistor dẫn và khuếch đại dòng từ chân 6 của OP-AMP(2) qua động cơ và về đất, lúc này động cơ quay thuận. Ngược lại, khi trị số điện trở giảm (khi cường độ ánh sáng cao), điện áp ngõ vào đảo của các OP-AMP lớn hơn điện áp ngõ vào không đảo, ở ngõ ra của các OP-AMP bão hòa âm, các transistor ngưng dẫn. Khi đó dẫn và khuyếch đại dòng từ đất qua động cơ về chân 6 của OP-AMP(1), lúc này động cơ quay ngược. Trong trường hợp cường độ sáng qua Diafram bằng mức cường độ sáng đặt, tất cả các transistor đều khóa, khi đó dòng qua động cơ bằng không và động cơ không hoạt động. Trong mạch này, các transistor là loại n-p-n, còn là loại p-n-p. Để tăng độ nhạy của mạch điện, các transistor đều mắc theo sơ đồ Darlington. Các điện trở hồi tiếp âm cho các OP-AMP cũng có tác dụng làm cho mạch điện nhạy hơn. Mạch điện này nói chung hoạt động rất nhạy và tiêu thụ rất ít điện năng. Tuy nhiên, mạch điện này cũng có nhược điểm, nhược điểm chủ yếu ở mạch điện này là quang trở, như đã nói ở mục (4.2.1.3), từ đặc tính độ dốc có thể thấy, do sự không tuyến tính giữa cựờng độ ánh sáng với trị số điện trở của quang trở, làm cho dòng điện vào động cơ không ổn định. Trong khi độ nhạy của động cơ là rất cao, chỉ cần dòng điện nhỏ vài mmA cũng khiến động cơ quay, do đó sự không ổn định của mạch điện sẽ ảnh hưởng không tốt đến quá trình đóng – mở Diafram. Nhược điểm trên sẽ được khắc phục khi dùng cảm biến là phôtô điốt hoặc phôtô transistor. Khi đó nếu thêm các OPA nhạy sáng, ta sẽ có được mạch điện điều khiển đóng mở Diafram tốc độ cao dùng trong các máy camera chuyên dụng, chẳng hạn trong kỹ thuật Quân sự. 4.4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CƠ 4.4.1. Tính toán thiết kế các lá chắn của Diafram Các lá chắn của Diafram có biên dạng xoắn ốc Ác-si-mét, nghĩa là có bán kính tác dụng thay đổi từ (ứng với đường kính lớn nhất của Diafram) đến (ứng với đường kính bé nhất của Diafram). Để quy luật biến thiên của đường kính Diafram là tuyến tính ứng với mỗi góc quay của động cơ, ta chia góc quay thành n phần bằng nhau và chia khoảng biến thiên bán kính tác dụng của lá chắn (cũng là khoảng biến thiên bán kính Diafram) thành n phần bằng nhau. Với độ chính xác cho phép, ta chọn n = 20, và để biên dạng cửa điều sáng do bốn lá chắn tạo nên tại các vị trí biên (ứng với ) không đổi, ta chọn góc giới hạn cho lá chắn là . Trước hết ta xét ma trận cosin chỉ hướng [8]: Cho vật B và hệ quy chiếu ; là hai vertor đơn vị trên các trục . Gắn chặt vào vật B hệ quy chiếu ; là hai vertor đơn vị trên các trục (hình 4-32). Khi đó ma trận vuông: (4.59) gọi là ma trận cosin chỉ hướng của vật B đối với hệ quy chiếu . Ta có: Thay vào (4.59), ta có: Bây giờ xét điểm M trên vật B, tọa độ điểm M trong hệ quy chiếu là ; trong hệ quy chiếu R là . Ta có: (4.60) Do là ma trận trực giao, nghĩa là . Vậy: (4.61) Quan hệ (4.61) là phép quay tọa độ từ hệ quy chiếu R sang hệ quy chiếu . Vậy còn được gọi là ma trận quay. *). Vậy, nếu biết trước quy luật biến đổi của đường kính Diafram qua tâm quay của lá chắn, nghĩa là tương ứng với một góc quay của lá chắn, biên dạng lá chắn sẽ là một điểm nào đó nằm trên đường kính này. Bằng cách dùng (4.61), ta sẽ xác định được các tọa độ thực trên biên dạng lá chắn. *). Nếu chia góc thành n phần bằng nhau [5], mỗi khoảng chia như vậy sẽ là một góc ; chọn , ta có: và Lần lượt cho các góc của lá chắn các giá trị bằng: , với ; tương ứng sẽ có . Lần lượt thay các giá trị này vào, ta có bảng kết quả sau: k , độ , mm 0 0 19,75 1 0 1 6 20,65 0,99 0,1 2 12 21,55 0,98 0,21 3 18 22,45 0,95 0,31 4 24 23,35 0,91 0,41 5 30 24,25 0,87 0,5 6 36 25,15 0,81 0,59 7 42 26,05 0,74 0,67 8 48 26,95 0,67 0,74 9 54 27,85 0,59 0,81 10 60 28,75 0,50 0,87 11 66 29,65 0,41 0,91 12 72 30,55 0,31 0,95 13 78 31,45 0,21 0,98 14 84 32,35 0,1 0,99 15 90 33,25 0 1 16 96 34,15 -0,1 0,99 17 102 35,05 -0,21 0,98 18 108 35,95 -0,31 0,95 19 114 36,85 -0,41 0,91 20 120 37,75 -0,5 0,87 Các giá trị ứng với các góc quay sẽ là: Các tọa độ của các điểm khác nhau trên biên dạng thực của lá chắn được suy ra từ các giá trị trên đây bằng cách quay tọa độ quanh sang hệ tọa độ bằng các góc tương ứng (hình 4-33), tức là: Ta có: Sau khi có các điểm tọa độ này, tiến hành nối chúng lại ta sẽ có biên dạng lá chắn (mô tả trên hình 4-34); góc tác dụng nằm trong khoảng ứng với tọa độ , đó là góc quay thực của lá chắn: . Bây giờ ta xác định sự phụ thuộc giữa góc quay của lá chắn (cũng là góc quay của động cơ) với độ rọi của vật E và độ rọi của ảnh E’. Phương trình đường xoắn ốc Ác-si-mét có dạng: Quy luật biến thiên khẩu quang (Diafram) có dạng: , trong đó a = 74 mm là khoảng cách giữa hai trục quay đối nhau, xác định theo (3.27): Công thức này cho ta mối quan hệ trực tiếp giữa góc quay của động cơ với độ rọi của ảnh. Tốc độ đóng - mở của Diafram được xác định bởi: Gọi là vận tốc đóng-mở Diafram ở vị trí ứng với điểm có tọa độ trên biên dạng lá chắn, ta có: (4.62) Với: (4.63) Thay các cặp giá trị như tính được như ở trên vào (4.62) và (4.63) với chú ý: (4.64) Ta sẽ được các giá trị vận tốc đóng – mở Diafram ứng với các điểm khác nhau trên biên dạng lá chắn. Với cách tính toán biên dạng như trên đây, rõ ràng các giá trị vận tốc là không đổi. Các giá trị này và các giá trị tương ứng cho ta quan hệ biểu thị quy luật biến thiên vận tốc của khẩu quang. Để tạo nên vòng chắn sáng, ta sử dụng bốn lá chắn giống nhau, có biên dạng và kích thước như thiết kế trên đây. Bốn lá chắn này gắn trực tiếp lên trục quay của bốn động cơ được bố trí ở bốn góc của một hình vuông, có kích thước đường chéo là 74 mm. 4.4.2. Tính toán thiết kế trục động cơ 4.4.2.1. Thiết kế kết cấu và mô tả sự hoạt động của các chi tiết gắn lên trục. Do cấu tạo đặc biệt của động cơ, nên các chi tiết có kết cấu và được lắp ghép vào trục quay như sau (mô tả trên hình 4-35): Gối đỡ trục 5 được cố định lên đế 13 bằng bu-lông 1 và đai ốc 7, các ổ lăn 2 lắp ở hai đầu gối đỡ. Vòng trong các ổ lăn không dịch chuyển ra ngoài nhờ vòng đệm 8 và vai của gối đỡ. Vòng ngoài ổ lăn sẽ đỡ trục 10, ở đây là trục rỗng, được gia công chính xác hai đầu nơi lắp ổ lăn. Vòng ngoài của các ổ lăn không dịch chuyển ra ngoài nhờ các vòng hãm lò xo 12. 1. Bu-lông; 2. Ổ lăn; 3. Thân; 4. Nơi gắn lá chắn; 5. Gối đỡ; 6. Vòng đệm; 7. Đai ốc; 8. Vòng đệm; 9. Vòng hãm lò xo; 10. Trục; 11. Nơi gắn dây quấn; 12. Vòng hãm lò xo; 13. Đế. Để điều chỉnh khe hở ổ lăn, đồng thời cũng điều chỉnh sự thẳng góc giữa trục và bề mặt gia công của đế, bên dưới (đối với ổ phía trên) và bên trên (đối với ổ phía dưới) các vòng hãm lò xo 12 có các vòng đệm 6 bằng sắt tây, dày từ mm. Thân 3 được lắp bên ngoài trục, cố định với trục bởi vòng hãm lò xo 9. Các lá chắn sáng của Diafram gắn lên thân bởi các vít 4; phía đối diện với các lá chắn sáng là bối dây phần ứng của động cơ, được gắn lên thân bởi keo 11 và đặt trong từ trường của hai nam châm vĩnh cửu. Khi cho dòng điện chảy qua bối dây phần ứng, lực điện từ làm cho thân (và do đó, trục và vòng ngoài ổ lăn) quay, các lá chắn quay theo từ hoặc ngược lại để đóng – mở Diafram. 4.4.2.2. Chọn vật liệu Với tính chất làm việc của cơ cấu là tác động nhanh, nhạy khi có tín hiệu điều khiển; kết cấu gọn nhẹ, hình thức đẹp. Do đó vật liệu chủ yếu được chọn là hợp kim nhôm, cụ thể như sau: a. Lá chắn: Sử dụng hợp kim nhôm , mác . b. Trục và gối đỡ trục: Sử dụng hợp kim nhôm, mác . . c. Thân: Sử dụng hợp kim nhôm, mác . d. Các vòng hãm lò xo: Sử dụng thép hợp kim e. Bu-lông và đai-ốc: Sử dụng thép hợp kim 38XA. f. Các vòng điều chỉnh khe hở ổ: Sử dụng thép lá mỏng tráng thiếc (sắt tây). g. Đế: Sử dụng hợp kim nhôm, mác . 4.4.3. Tính toán bu-lông bậc chịu lực ngang [6] Do phải xiết bu-lông để tạo nên lực ép V ép chặt trục, do đó sinh ra lực ma sát giữ trục không trượt khi chịu tác dụng của lực ngoài. Do là trục rỗng, nên bu-lông được luồn bên trong trục và trục được cố định lại với đế. Gọi F là lực tác dụng lên mối ghép (F chính là lực điện từ), lực xiết V phải thỏa mãn điều kiện: hay (4.65) Trong đó: f- hệ số ma sát của trục và của đế, ở đây trục và đế đều là hợp kim nhôm, chọn ; k- hệ số an toàn, , chọn ; i- Hệ số kể đến bề mặt tiếp xúc giữa các tấm ghép, chọn . Từ điều kiện bền: (4.66) Thay (4.66) vào (4.65) ta tìm được đường kính chân ren của bu-lông: (4.67) Trong đó: . Do thép hợp kim 38XA nên ; - hệ số an toàn của thép này. Vậy: Ta nhận thấy rằng, do tải trọng rất bé, nên kích thước của kết cấu nói chung cũng rất bé. Tuy nhiên để cơ cấu làm việc ổn định, độ an toàn cao (tránh làm cong hay biến dạng, dẫn đến có thể bị kẹt hoặc làm ảnh hưởng đến các chi tiết khác khi có va đập), đặc biệt là vấn đề công nghệ sẽ khó khăn hơn, dẫn đến giá thành cao. Do đó ta chọn theo tiêu chuẩn. Các kích thước còn lại của bu-lông xem trên bản vẽ chi tiết. 4.4.4. Tính toán và chọn kích thước ổ lăn a. Xác định khả năng tải động Khả năng tải động của ổ được xác định theo công thức: (4.68) Trong đó: Q- tải trọng quy ước, kN; L- tuổi thọ của ổ tính bằng triệu vòng quay; m- bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn, với ổ bi m=3. Nếu gọi là tuổi thọ của ổ tính bằng giờ thì: , giá trị có thể được tra theo bảng trong các tài liệu chuyên môn. Ứng với ổ lăn của ta, tra bảng ta có: giờ, . Vậy: (triệu vòng quay); Ở đây chon ổ bi đỡ một dãy nên: (4.69). Trong đó: - tải trọng hướng tâm và tải trọng dọc trục, kN; V- hệ số kể đến vòng nào quay, vòng ngoài quay V=1,2; - hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ, = 1 khi ; - hệ số kể đến đặc tính của tải trọng, với tải trọng nhẹ = 1; X- hệ số tải trọng hướng tâm X = 1 (tra theo bảng tra bảng theo [7]); Y- hệ số tải trọng dọc trục Y = 0 (tra theo bảng theo [7]). Ta được: b. Xác định khả năng tải tĩnh. Tải trọng tĩnh được xác định theo công thức: (do ) (4.70) Trong đó: - hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục. Tra bảng [7] có : . Vậy: c. Sau khi tính được theo (4.68) và theo (4.70), dựa vào và đường kính trục để tra kích thước ổ. Ổ được chọn phải đảm bảo điều kiện: (4.71) Trong đó: C- khả năng tải động của ổ tiêu chuẩn; - khả năng tải tĩnh của ổ tiêu chuẩn; D- đường kính ngoài của ổ. d. Chọn kiểu lắp ổ lăn. Do trục động cơ không quay toàn vòng, có va đập nhẹ ở các biên của góc quay, nên vòng ngoài của ổ lăn chịu tải cục bộ và có dao động nhẹ. Vì vậy để đảm bảo cho ổ mòn đồng đều, nghĩa là miền chịu lực của ổ đồng đều trên toàn vòng, chúng ta chọn kiểu lắp có độ hở đối với vòng ngoài của ổ (khi đó có sự quay tương đối giữa vòng ngoài của ổ và trục động cơ). Dung sai cụ thể có trên bản vẽ lắp chi tiết. KẾT LUẬN Mô hình Diafram điều khiển tự động trực tiếp bằng ánh sáng đã được chế tạo hoàn chỉnh với chi phí rất rẻ, các linh kiện điện tử hiện có sẵn trên thị trường, quá trình gia công cơ dễ dàng do kết cấu bộ phận đơn giản. Truyền động đóng mở cửa điều sáng được thực hiện trực tiếp từ motor mà motor này, có sự truyền động rất giống với điện kế từ điện (VOM). Nó là motor sử dụng từ trường của nam châm vĩnh cửu, chỉ dùng một cuộn dây và dòng điện điều khiển đưa trực tiếp vào cuộn dây này. Do vậy, quán tính của động cơ rất bé (do không quay toàn vòng, rotor rỗng), tác động nhanh khi có tín hiệu điều khiển (do cuộn dây kích thích cũng là cuộn dây phần ứng, không dùng chổi than), tổn hao công suất nhỏ (do không có tổn hao sắt, tổn hao đồng bé). Các lá chắn gắn trực tiếp lên trục động cơ và đôi một đối nhau gắn lệch nhau nên không sợ bị kẹt trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên, do dùng bốn động cơ nên cần phải chọn các nam châm giống nhau cả về lực khử từ dư, cảm ứng từ cũng như kích thước của chúng. Đồng thời, các cuộn dây ở các động cơ cũng phải giống nhau cả về chiều dài, tiết diện dây, cũng như cách quấn. Hướng phát triển của đề tài là lắp thêm bộ hiển thị khẩu quang. Điều này có thể được thực hiện nhờ một sensor đo góc gắn vào trục quay gồm một đĩa chia độ, một cảm biến chuyển đổi quang điện gồm một LED hồng ngoại và hai photodiode chẳng hạn. Sử dụng các bộ tạo xung, bộ đếm, thiết bị hiện số… là sẽ có bộ hiển thị khẩu quang. Mô hình này có thể phục vụ việc học tập và thực hành của sinh viên. Tác giả chân thành xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Chu Tiến Rảo; các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học; cùng các thầy giáo, cô giáo của trường Đại học Bách khoa Hà Nội bởi những kiến thức mà các thầy giáo, cô giáo đã truyền đạt. Cảm ơn các tác giả của những tài liệu mà tôi đã tham khảo khi thực hiện thiết kế đồ án tốt nghiệp này. Hà Nội, tháng 05-2006. Sinh viên Dương Hồng Cang PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Chu Tiến Rảo. Bài giảng Kỹ thuật ánh sáng và quang điện tử ứng dụng. [2]. PGS Trần Định Tường. Giáo trình Quang kỹ thuật (Đại học Bách khoa Hà Nội). [3]. Ts. Nguyễn Trọng Hùng. Chi tiết cơ cấu chính xác (NXB KHKT - 2002). [4]. PGS Ninh Đức Tốn. Bài giảng dung sai (Đại học Bách khoa Hà Nội – 2000). [5]. Đinh Gia Tường. Nguyên lý máy (NXB KHKT – 1999). [6]. Nguyễn Trọng Hiệp. Chi tiết máy (NXB GD -2003). [7]. Trịnh Chất – Lê Văn Uyển. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (NXB GD – 2003). [8]. GS Nguyễn Văn Khang. Giáo trình cơ học lý thuyết 2. [9]. GS Nguyễn Văn Khang. Dao động kỹ thuật (NXB KHKT - 2001). [10]. Nguyễn Văn Tuệ. Điện học và mạch điện – mạch từ (NXB ĐHQG TPHCM – 2003) [11]. Vũ Gia Hanh – Trần Khánh Hà – Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu. Máy điện (NXB KHKT – 2005). [12]. Nghiêm Hùng. Vật liệu học cơ sở (NXB KHKT – 2002). [13]. Đỗ Hoàng Tiến. Audio và Video số (NXB KHKT – 2002). [14]. Nguyễn Thanh Trà – Thái Vĩnh Hiển. Kỹ thuật Audio – Video (NXB GD – 2003). [15]. Nguyễn Văn Thụ. Kỹ thuật điện tử (NXB – 2002). [16]. Phạm Minh Hà. Kỹ thuật mạch điện tử (NXB KHKT – 2004). [17]. Đỗ Kim Bằng. Kỹ thuật số - lý thuyết và ứng dụng (NXB KHKT – 2004). [18]. Đỗ Kim Bằng. 101 Mạch ứng dụng điện tử - kỹ thuật số (NXB LĐXH – 2005). [19]. Nguyễn Quốc Trung. Xử lý tín hiệu và lọc số (NXB KHKT – 2002). [20]. Trần Quang Vinh. Nguyên lý phần cứng và kỹ thuật ghép nối máy tính (NXB GD – 2003). [21]. Dương Minh Trí. Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn (NXB KHKT – 2005). [22]. Dương Minh Trí. Linh kiện quang điện tử (NXB KHKT – 2004). [23]. Lê Xuân Thê. Dụng cụ bán dẫn và vi mạch (NXB GD – 2005). [24]. Tống Văn On – Hoàng Đức Hải. Họ vi điều khiển 8051 (NXB LĐXH – 2005).