Báo cáo tốt nghiệp: Thiết kế bộ khuếch đại lock - in dựa trên vi điều khiển DSPic pps

TRƯỜNG …………………. KHOA………………………. [\[\ BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Thiết kế bộ khuếch đại lock - in dựa trên vi điều khiển DSPic ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn Tóm tắt Bản khóa luận tốt nghiệp gồm có ba phần riêng biệt trong đó phần một là lý thuyết bộ khuyếch đại lock-in tiếp theo là tổng quan chung cấu trúc vi điều khiển dsPic30F4011 và cuối cùng là phần thực nghiệm. Chương 1 về lý thuyết bộ khuyếch đại lock-in trước tiên ta sẽ tìm hiểu tại sao lại phải dùng bộ khuyếch đại lock-in trong đo lường tín hiệu nhỏ và khái niệm bộ khuyếch lock-in, tiếp theo là sơ đồ cấu tạo chung của một bộ khuyếch đại lock-in cổ điển. Cuối cùng là phần tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bộ khuyếch đại lock-in số và tương tự. Trong chương 2 về tổng quan cấu trúc của vi điều khiển dsPic30F4011 chúng ta sẽ tìm hiểu chung về họ vi điều khiển DsPic30F tiếp đó là đặc điểm chung của họ vi điều khiển dsPic30F4011. Cuối cùng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về cấu trúc của vi điều khiển dsPic30F4011. Phần còn lại của bản khóa luận sẽ là phần thực nghiệm, ở đây trình bày toàn bộ quá trình thiết kế bộ khuyếch đại lock-in gồm có phần cứng, phần mềm và kết quả thực nghiệm. Phần cứng có các khối riêng biệt, với mỗi khối có trình bày lý thuyết và cơ sở thiết kế. Còn phần mềm được trình bày dưới dạng sơ đồ khối của cấu trúc chương trình với các modul riêng biệt. Sau khi thiết kế được bộ khuyếch đại lock-in số, ta sẽ thử nghiệm một hệ đo cho cảm biến có nhân là bộ khuyếch đại lock- in vừa chế tạo. Cụ thể trong bản khóa luận sẽ thử nghiệm một hệ đo áp dụng cho cảm biến áp suất MPX2300D do công ty Motorola cung cấp. ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn MỤC LỤC Mở Đầu 1 Chương 1. Bộ Khuếch Đại Lock In 2 1.1. Tổng quan về bộ khuyếch đại lock in 2 1.1.1. Giới thiệu 2 1.1.2. Khái niệm “lock in amplifier” 6 1.1.3. Cấu trúc chung của bộ khuyếch đại lock in 6 1.2. Bộ khuyếch đại lock in tương tự (Analog Lock-In Amplifiers) 7 1.3. Bộ khuyếch đại lock in số (Digital Lock-In Amplifiers) 9 Chương 2. Vi Điều Khiển DsPic30F4011 11 2.1. Giới thiệu chung về họ vi điều khiển Dspic 11 2.2. Đặc điểm chung của vi điều khiển dsPic30F4011 11 2.2.1. Khối xử lý trung tâm CPU 11 2.2.2. Bộ chuyển đổi tương tự số ADC 12 2.2.3. Các cổng vào ra I/O Port và các ngoại vi 12 2.2.4. Bộ xử lý tín hiệu số 12 2.2.5. Một số đặc điểm khác 13 2.3. Cấu trúc của vi điều khiển dsPic30F4011 13 2.3.1. Khối xử lý trung tâm CPU 13 2.3.2. Khối tạo địa chỉ AGU 17 2.3.2.1. Chế độ địa chỉ lệnh 17 2.3.2.2. Chế độ đảo bit địa chỉ 19 2.3.3. Tổ chức bộ nhớ và bộ nhớ chương trình 20 2.3.3.1. Không gian địa chỉ chương trình 20 2.3.3.2. Truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ chương trình sử dụng các lệnh bảng 21 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 2.3.3.3. Truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ chương trình sử dụng không gian chương trình 21 2.3.4. Các cổng vào ra I/O Port 23 2.3.5. Ngắt và cơ chế ngắt 25 2.3.6. Các bộ định thời 27 2.3.7. Bộ chuyển đổi tương tự số ADC 30 2.3.7.1. Bộ đệm kết quả biến đổi A/D 30 2.3.7.2. Các bước thực hiện biến đổi A/D 30 Chương 3. Thực Nghiệm 33 3.1. Phần Cứng 33 3.1.1. Các khối nguồn 34 3.1.2. Khối các bộ lọc thông thấp 35 3.1.3. Khối biến đổi DAC 36 3.1.3.1. Hoạt động của DAC và tính chất của nó 36 3.1.3.2. Các tham số của bộ chuyển đổi DA 38 3.1.3.3. Các mạch DAC điển hình 39 3.1.3.4. Ghép nối ADC với vi điều khiển 41 3.1.3.5. Bộ biến đổi DAC sử dụng trong khóa luận 41 3.1.4. Khối khuyếch đại tín hiệu vào 43 3.1.4.1. Tìm hiểu về một số mạch khuyếch đại thuật toán và tính chất của nó 43 3.1.4.2. Bộ khuyếch đại sử dụng trong khóa luận (AD620) 47 3.1.5. Khối LCD 48 3.1.6. Khối xử lý trung tâm 49 3.2. Phần Mềm 49 3.3. Các kết quả thực nghiệm 51 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 3.3.1. Mạch khuyếch đại lock-in đã chế tạo và tín hiệu vào ra lock in 51 3.3.2.Thử nghiệm bộ khuyếch đại lock-in với cảm biến áp suất MPX2300D 55 3.3.2.1. Cảm biến áp suất MPX2300D 55 3.3.2.2. Kết quả thí nghiệm 56 Kết Luận 59 Phụ Lục 60 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn Bảng các ký hiệu, chữ viết tắt VĐK : Vi điều khiển ADC : Chuyển đổi tương tự số (Analog digital convert) DAC : Chuyển đổi số tương tự (Digital analog convert) KĐTT : Khuyếch đại thuật toán AC : Dòng điện xoay chiều DC : Dòng điện một chiều ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 1 Mở Đầu Với sự phát triến mạnh hiện nay của việc ứng dụng các cảm biến thì việc thiết kế những hệ đo và khảo sát cảm biến là rất cần thiết, nó là một thiết bị không thể thiếu cho bất kỳ một phòng thí nghiệm nào. Một hệ đo nhạy và có chính xác cao còn được ứng dụng trong y học, đó chính là những máy xét nghiệm y sinh. Ngoài ra nó còn có ý nghĩa quan trọng tới nhiều ứng dụng cần độ chính xác cao trong khoa học kỹ thuật (ví dụ như: đo lường chính xác, robotic, ) Nhiều cảm biến được thiết kế có lối ra điện áp rất nhỏ, chính vì vậy việc để phát hiện sự sai lệch và đo điện áp ra là rất khó khăn. Do đó ý tưởng thiết kế một hệ đo lường có độ nhạy cao cho những cảm biến này là rất quan trọng, và một trong những ý tưởng đó là hệ đo có sử dụng bộ khuyếch đại lock-in. Với nhân là một bộ khuyếch đại lock-in chúng ta sẽ có được một hệ đo sensor khá lý tưởng, nó có thể cung cấp những phép đo độ phân giải cao những tín hiệu một cách tương đối sạch với độ lớn và tần số riêng biệt. Việc thiết kế một hệ đo mà có nhân là bộ khuyếch đại lock-in cổ điển cũng khá phức tạp vì trong bộ khuyếch đại cần có các bộ trộn kênh và bộ lọc có độ chính xác cao. Ngoài ra trong bộ khuyếch đại lock-in tương tự thì ảnh hưởng từ việc trôi nhiệt và già hóa của các linh kiện sẽ gây ra sự sai số lớn cho hệ đo. Nhưng nếu ta thiết kế một bộ khuyếch đại lock-in số thì khả thi hơn nhiều. Với công nghệ số, một vi điều khiển có thể đảm nhiệm tốt vai trò là bộ bộ lọc và bộ trộn kênh có độ chính xác cao. Vì được số hóa nên sẽ không có hiện tượng trôi nhiệt và già hóa linh kiện gây sai số ảnh hưởng tới hệ đo.Chính vì vậy một bộ khuyếch đại lock-in số là lựa chọn thông minh nhất của người sử dụng. Và Trong khóa luận này em sẽ tìm hiểu thiết kế một bộ khuyếch đại lock-in số dựa trên vi điều khiển DsPic. Và từ đó hình thành nên một hệ đo đơn giản với nhân là bộ khuyếch đại lock-in số và sẽ thử nghiệm hệ đo với cảm biến áp suất MPX2300D của Motorola. ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 2 Chương 1. Bộ Khuếch Đại Lock In 1.1. Tổng quan về bộ khuyếch đại lock in 1.1.1. Giới thiệu Trong rất nhiều ứng dụng để đo những tín hiệu AC rất bé có thể bé tới vài nanovolts người ta không thể sử dụng phép đo thông thường (sử dụng các máy đo vạn năng chẳng hạn). Đó chính là nguyên nhân ra đời của bộ khuyếch đại lock in (lock-in amplifier). Vậy tại sao ta lại không dễ dàng đo được những tín hiệu AC nhỏ (vài nanovolts)? Ta xét các ví dụ sau.[8] Ví dụ 1: Cho một tín hiệu sóng sine 10nV tần số 10kHz. Rõ ràng là sự khuyếch đại cần phải cho ra tín hiệu lớn hơn ồn. Một bộ khuếch đại tốt (low-noise) sẽ có mật độ ồn lối vào khoảng 5nV/sqrt(Hz). Nếu băng thông của bộ khuyếch đại là 100kHz và hệ số khuyếch đại là 1000 lần, chúng ta thu được ở lối ra: Tín hiệu lối ra: (10nV x 1000) = 10uV Tín hiệu nhiễu dải rộng: (5nV x KHz100 x 1000)=1,6mV Như vậy chúng ta không có nhiều cơ hội để đo tín hiệu này nếu chúng ta không chọn ra tần số chúng ta mong muốn.(Xem minh họa trên Hình 1.1) Ví dụ 2: Nếu ta lắp thêm một bộ lọc dải thông vào bộ khuyếch đại với Q=100 (một bộ lọc cực kỳ tốt – Q ở đây được xem là hệ số phẩm chất của bộ lọc) tâm thông là 10kHz, bất kỳ tín hiệu nào trong vùng 100Hz (10kHz/Q) xung quanh tâm cũng sẽ được phát hiện. Nhiễu trong trường hợp này sẽ là (5nV x Hz100 x 1000) = 50uV, và tín hiệu sẽ vẫn là 10uV. Nhiễu ở lối ra vẫn lớn hơn nhiều lần tín hiệu, và không thể tạo ra được một phép đo chính xác. Như vậy tăng hệ số khuếch đại không thể nào giúp tăng tỉ số tín hiệu trên ồn (S/N).(Xem minh họa trên Hình 1.2) Vậy muốn đo được tín hiệu, ta phải thiết kế một bộ lọc có hệ số Q lớn, nhưng việc này là rất khó và không khả thi.Tuy nhiên một bộ dò nhạy pha (Phase Sensitive Detector) có thể có Q lớn cỡ 10000. Nên ồn trong tín hiệu đã nêu ở 2 ví dụ trên chỉ còn là 10u. ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 3 Hình 1.1. Nhiễu và tín hiệu[2] Hình 1.2. Ồn bị triệt tiêu sau khi qua bộ lọc thông thấp[2] Kỹ thuật dò nhạy pha (Phase-Sensitive Detection) : Có thể nói “Bộ dò nhạy pha - Phase Sensitive Detection (PSD)” là trái tim của bộ khuyếch đại lock in, nó được xem như là một bộ hoàn điệu hay bộ trộn. Máy dò tìm được vận hành bởi việc nhân lên hai tín hiệu cùng nhau. Phân tích sau đây chỉ ra tại sao nó cho ta những tín hiệu mong muốn. Hình 1.3 chỉ ra vị trí ở đầu bộ khuyếch đại lock in phát hiện ra một đường tín hiệu không tạp nhiễu (noise-free) hình sin. Xác định trong sơ đồ như “Signal In”. Thiết bị ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 4 được nuôi với nguồn tín hiệu tham chiếu (hay còn gọi là tín hiệu reference là dạng tín hiệu hình sin, được cài đặt sẵn). Hình 1.3.Tín hiệu, tín hiệu tham chiếu và tích của hai tín hiệu[15] Bộ dò nhạy pha được vận hành bởi việc nhân hai tín hiệu này và kết qủa là ta thu được tín hiệu Demodulator Output như trên hình. Từ đó ta thấy không có sự khác pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu reference. Demodulator output giữ dạng hình sin, nhưng tần số thì gấp 2 lần tần số của tín hiệu reference, mức trung bình là dương. Hình 1.4 cũng như hình 1.3 nhưng có sự dịch pha 90 0 của tín hiệu reference. Bây giờ Demodulator output vẫn là một sóng sin có tần số bằng hai lần tần số tín hiệu reference, nhưng mức trung bình thì bằng 0. Hình 1.4. Tín hiệu, tín hiệu tham chiếu dịch 90 o và tích của hai tín hiệu[15] [...]... (digital) Chính vì vậy có hai cách chế tạo bộ khuyếch đại lock- in : bộ khuyếch đại lock- in tương tự và bộ khuyếch đại lock- in số sẽ được trình bày dưới đây 1.2 Bộ khuyếch đại lock in tương tự (Analog Lock- In Amplifiers) Sơ đồ khối của một bộ khuyếch đại lock in cổ điển hay bộ khuyếch đại lock- in tương tự được chỉ ra trên Hình 1.6 Hệ thống gồm có một máy khuyếch đại để tăng tín hiệu đầu vào cần đo đến... khuyếch đại lock- in tương tự trở nên một thiết bị rất đắt đỏ và được sử dụng khi đòi hỏi các băng thông lối vào cao Sinh Vi n : Lê Trần Triệu Tuấn 8 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp 1.3 Bộ khuyếch đại lock in số (Digital Lock- In Amplifiers) Sơ đồ khối của một bộ khuyếch đại lock in số được chỉ ra trên Hình 1.7 Hình 1.7 Bộ khuyếch đại lock in số[8] Trong một bộ khuyếch đại lock in số, phần... Sinh Vi n : Lê Trần Triệu Tuấn 10 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Chương 2 Vi Điều Khiển DsPic3 0F4011 Trong bản khóa luận này bộ xử lý số của mạch khuyếch đại lock- in số dùng một vi điều khiển DsPic với nhãn hiệu thương mại là DsPic3 0F4011 của hãng Microchip Toàn bộ nội dung chương 2 này được lấy từ tài liệu [6] 2.1 Giới thiệu chung về họ vi điều khiển Dspic Họ vi điều khiển 16 bit dsPic. .. điểm chung của vi điều khiển dsPic3 0F4011 2.2.1 Khối xử lý trung tâm CPU - Tập lệnh cơ bản gồm 84 lệnh Sinh Vi n : Lê Trần Triệu Tuấn 11 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp - Chế độ định địa chỉ linh hoạt - Độ dài lệnh 24-bit, độ dài dữ liệu 16-bit - Bộ nhớ chương trình Flash 24 Kbytes - Bộ nhớ RAM độ lớn 1Kbytes - Bộ nhớ EEPROM - Mảng 16 thanh ghi làm vi c 16-bit - Tốc độ làm vi c lên tới... sau: - Thiết bị khôi phục tín hiệu AC - Đo pha - Đo tiếng ồn, nhiễu - Vôn kế vector - Bộ phân tích phổ - v.v Chính vì tính linh hoạt này mà nó có ý nghĩa rất quan trọng trong bất kỳ một phòng thí nghiệm nào 1.1.3 Cấu trúc chung của bộ khuyếch đại lock in Bộ khuyếch đại lock- in gồm có các thành phần chính là : bộ khuyếch đại tín hiệu vào và ra, bộ lọc thông dải (bandpass filter), bộ trộn (mixer), bộ. .. Technology Inc sản xuất, được phát triển trên nền họ vi điều khiển 8 bit Pic Vi điều khiển dsPic là một chip xử lý mạnh với bộ xử lý 16 bit (có khả năng xử lý dữ liệu có độ dài 16 bit) Với tốc độ tính toán cao dựa trên kiến trúc RISC, kết hợp các chức năng điều khiển tiện ích của một bộ vi điều khiển hiệu năng cao 16-bit (highperformance 16-bit microcontroller), có thể thực hiện chức năng của một bộ xử... gian ngắn Chính vì vậy dsPic được ứng dụng rất rộng rãi trong các ứng dụng xử lý tín hiệu số, đo lường và điều khiển tự động, v v Họ vi điều khiển dsPic được chia ra làm ba loại tùy theo mục đích của người sử dụng : - Bộ điều khiển số cho điều khiển motor và biến đổi nguồn (DSC Motor Control & Power Conversion Family) - Bộ điều khiển số cho sensor (DSC Sensor Family) - Bộ điều khiển số đa mục đích (DSC... mA - 3 Timer 16-bit, có thể ghép 2 Timer 16-bit thành Timer 32-bit - Chức năng Capture 16-bit - Các bộ so sánh/PWM 16-bit - Module SPI 3 dây (hỗ trợ chế độ Frame) - Module I2C, hỗ trợ chế độ đa chủ tớ, địa chỉ từ 7-bit đến 10-bit - UART có khả năng địa chỉ hoá, hỗ trợ bộ đệm FIFO 2.2.4 Bộ xử lý tín hiệu số - Nạp dữ liệu song song - Hai thanh chứa 40-bit có hỗ trợ bão hoà logic Sinh Vi n : Lê Trần Triệu... cos θ - cos ωt sin ωt sin θ) = AB((½ + ½cos 2ωt)cos θ - ½sin 2ωt sin θ) = ½AB((1+ cos 2ωt)cos θ - sin 2ωt sin θ) = ½AB(cos θ + cos 2ωt cos θ - sin 2ωt sin θ) = ½ABcos θ + ½AB(cos 2ωt cos θ - sin 2ωt sin θ) = ½ABcos θ + ½ABcos(2ωt + θ) Sinh Vi n : Lê Trần Triệu Tuấn 5 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Bây giờ nếu ta cho tín hiệu ra Vout qua bộ lọc thông thấp thì điều hiển nhiên là thành... filter) và bộ phát tín hiệu reference.(Hình 1.5) Sinh Vi n : Lê Trần Triệu Tuấn 6 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình 1.5 Sơ đồ bộ khuyếch đại lock in [15] Có hai cách thực thi sơ đồ trên Trong phương pháp cổ điển tất cả các chức năng của bộ lock- in đều được thực hiện bằng kỹ thuật analog (tương tự) Nhưng cũng có một phương pháp khác có thể thực thi sơ đồ trên, đó là phương pháp dựa trên . cách chế tạo bộ khuyếch đại lock- in : bộ khuyếch đại lock- in tương tự và bộ khuyếch đại lock- in số sẽ được trình bày dưới đây. 1.2. Bộ khuyếch đại lock in tương tự (Analog Lock- In Amplifiers). KHOA………………………. [[ BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Thiết kế bộ khuếch đại lock - in dựa trên vi điều khiển DSPic ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Sinh Vi n : Lê Trần Triệu. niệm lock in amplifier” 6 1.1.3. Cấu trúc chung của bộ khuyếch đại lock in 6 1.2. Bộ khuyếch đại lock in tương tự (Analog Lock- In Amplifiers) 7 1.3. Bộ khuyếch đại lock in số (Digital Lock- In