Xây dựng quy trình thí nghiệm của mạch biến đổi A/D và D/A

Xây dựng quy trình thí nghiệm của mạch biến đổi A/D và D/A

LỜI CẢM ƠN Được phân công khoa Điện – Điện Tử Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam đồng ý thầy giáo hướng dẫn ThS Trương Thanh Bình em thực đề tài: “ Xây dựng quy trình thí nghiệm mạch biến đổi A/D D/A” Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu nhà trường thầy cô giáo khoa Điện – Điện Tử tận tình hướng dẫn, giảng dạy em suốt thời gian học tập rèn luyện Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam Em xin gửi lời biết ơn chân thành tới thầy giáo ThS Trương Thanh Bình giành nhiều thời gian tận tâm hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn tập thể hai lớp ĐTV52 - ĐH động viên, giúp đỡ góp ý cho em nhiều trình học tập thực đồ án Mặc dù em cố gắng để thực đồ án cách hoàn chỉnh song kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót Vì em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý Thầy Cô bạn lớp để đề tài em hoàn chỉnh Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô khoa Điện – Điện Tử thật dồi sức khỏe thành công để tiếp tục giảng dạy truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày … tháng … năm 2015 Sinh viên thực Nguyễn Thị Anh LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan: Đồ án em thực hướng dẫn thầy giáo ThS Trương Thanh Bình Các số liệu đo đạc, hình ảnh kết luận đồ án hoàn toàn trung thực Em xin chịu trách nhiệm việc nghiên cứu Sinh viên thực Nguyễn Thị Anh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC (A/D) Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự / số DAC (D/A) Digital Analog Converter Bộ chuyển đổi số / tương tự E/O Electrical/Optical Bộ chuyển đổi điện / quang O/E Optical/Electrical Bộ chuyển đổi quang / điện MSB Most Significant Bit Bit có nghĩa lớn LSB Least Significant Bit Bit có nghĩa nhỏ LED Light Emitting Diode Diode phát quang APO Avalanche Photo Diode Diode quang thác SI Step Index Chiết suất nhảy bậc GI Graded Index Chiết suất biến đổi MM Multi Mode Sợi đa mode SM Single Mode Sợi đơn mode LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp lý tưởng S/P Serial / Parallel Bộ chuyển đổi nối tiếp / song song P/S Parallel / Serial Bộ chuyển đổi song song / nối tiếp DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Tên bảng Biên độ tín hiệu theo tần số tín hiệu vào truyền dẫn tương tự Biên độ tín hiệu theo tần số tín hiệu vào truyền dẫn số Biểu diễn trạng thái đèn LED điện áp vào, mạch Trang 48 54 58 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 1.18 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Tên hình Đặc tuyến truyền đạt mạch biến đổi tương tự - số Độ xác chuyển đổi A/D Sơ đồ khối mạch chuyển đổi A/D Dạng tín hiệu vào mạch chuyển đổi A/D Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp song song Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp nối tiếp Mạch chuyển đổi A/D nối tiếp dùng mạch vòng hồi tiếp Đồ thị thời gian biểu diễn trình chuyển đổi A/D Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản Giản đồ thời gian biến đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản Sơ đồ chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc Đồ thị thời gian biểu diễn trình chuyển đổi A/D mạch tích phân hai sườn dốc Bộ A/D theo phương pháp song song- nối tiếp kết hợp Sơ đồ khối trình chuyển đổi số sang tương tự Đồ thị thời gian tín hiệu sau mạch chuyển đổi D/A Mạch chuyển đổi D/A với nguồn điện áp chuẩn Mạch biến đổi D/A dùng nhiều điện áp chuẩn Mạch biến đổi D/A phương pháp điện trở bậc thang Mặt trước ITF-201A-T Mặt trước ITF-201A-R Cấu tạo sợi quang Phản xạ khúc xạ ánh sáng Phản xạ toàn phần Sự truyền dẫn sợi SI Sự truyền dẫn sợi GI Sơ đồ nguyên lý A/D Lấy mẫu tín hiệu Lượng tử hóa tín hiệu Mã hóa tín hiệu Khối nguồn cung cấp, đầu vào, khuếch đại chuyển đổi A/D Trang 5 10 10 11 13 14 15 15 16 16 17 18 22 23 24 25 25 26 26 29 30 30 31 32 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Bộ chuyển đổi E/O Nguồn cung cấp, chuyển đổi O/E D/A Đầu ITF-201A-R Sơ đồ khối mạch điện Sơ đồ khối mạch tín hiệu xoay chiều truyền dẫn tương tự Bộ mạch điện tín hiệu xoay chiều truyền dẫn tương tự Máy phát tín hiệu EZ FG-7002C Biểu diễn kết nối đưa tín hiệu xoay chiều vào Dạng sóng tín hiệu xoay chiều đầu vào Dạng sóng đầu tín hiệu xoay chiều truyền theo dạng tương tự Cáp sợi quang có đầu nối quang Light Bar Dạng sóng đầu tín hiệu xoay chiều có Light Bar Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Đặc tính biên độ - tần số tín hiệu xoay chiều truyền dẫn tương tự Hình 3.11 Sơ đồ khối mạch tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số qua A/D D/A Hình 3.12 Bộ mạch điện tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số qua chuyển đổi A/D D/A Hình 3.13 Tín hiệu fM = 2000 Hz Hình 3.14 Tín hiệu fM = 1000 Hz Hình 3.15 Tín hiệu fM = 500 Hz Hình 3.16 Tín hiệu fM = 200 Hz Hình 3.17 Tín hiệu fM = 100 Hz Hình 3.18 Tín hiệu sau biến biến đổi D/A sử dụng sợi cáp quang có đầu nối quang Light Bar Hình 3.19 Đặc tính biên độ - tần số tín hiệu xoay chiều truyền qua A/D D/A Hình 3.20 Sơ đồ khối mạch điện đưa tín hiệu chiều vào Hình 3.21 Biểu diễn kết nối đưa tín hiệu chiều vào Hình 3.22 Biểu diễn khảo sát điện áp vào tín hiệu chiều trạng thái hiển thị đèn LED 35 37 38 40 44 44 45 46 46 47 47 48 49 49 50 51 52 52 52 53 53 54 55 57 57 LỜI MỞ ĐẦU Hiện việc truyền dẫn tín hiệu số tương tự qua cáp sợi quang ngày phổ biến đáng tin cậy Bởi lẽ cáp sợi quang có nhiều ưu điểm vượt trội việc truyền dẫn tín hiệu so với phương thức truyền dẫn khác suy hao ít, tốc độ truyền dẫn cao…Để truyền tín hiệu số trước hết tín hiệu cần đưa vào chuyển đổi tương tự sang số ( A/D ) để biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số để giảm ảnh hưởng nhiễu trình truyền dẫn đạt tốc độ truyền dẫn cao xác Phía thu thực việc biến đổi tín hiệu số trở lại thành tín hiệu tương tự ban đầu qua chuyển đổi D/A Nhận thức tầm quan trọng việc chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số từ số sang tương tự, em chon đề tài “ Xây dựng quy trình thí nghiệm mạch biến đổi A/D D/A ” Nội dung đồ án gồm chương: Chương I: Nguyên lý chung chuyển đổi A/D D/A Chương II: Tổng quan modul thí nghiệm Chương III: Quy trình kết thí nghiệm Mặc dù cố gắng kiến thức thân hạn chế nên nội dung đồ án không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận bảo, góp ý thầy, cô giáo bạn sinh viên để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên thực Nguyễn Thị Anh CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ CHUYỂN ĐỔI A/D VÀ D/A 1.1 Cơ sở lý thuyết “Việc gia công, truyền đạt tín hiệu trình điều khiển thị phần lớn thực theo phương pháp số Trong tín hiệu tự nhiên lại biến thiên liên tục theo thời gian nghĩa tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự Để phối ghép nguồn tín hiệu tương tự với hệ thống xử lý số, người ta dùng mạch chuyển đổi tương tự - số ADC (Analog – Digital – Converter) ngược lại có mạch chuyển đổi số - tương tự DAC (Digital – Analog – Converter).” ( Phạm Minh Hà, 2005, 330 ) Quá trình chuyển đổi tương tự - số trình rời rạc hóa tín hiệu tương tự khoảng Lúc giá trị đại diện cho khoảng tín hiệu tương tự Quá trình biến đổi tương tự số minh họa hình vẽ sau: VD 111 110 101 100 011 ΔUQ 010 Q 001 000 VA Hình 1.1 Đặc tuyến truyền đạt mạch biến đổi tương tự - số Tín hiệu tương tự VA chuyển thành dạng bậc thang Với phạm vi giá trị VA biểu diễn giá trị đại diện thích hợp “Một cách tổng quát, gọi tín hiệu tương tự SA(VA), tín hiệu số SD (VD), SD biểu diễn dạng mã nhị phân sau : 10 f(Hz) Hình 3.10 Đặc tính biên độ - tần số tín hiệu xoay chiều truyền dẫn tương tự 3.3.2 Tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số qua A/D D/A Tín hiệu xoay chiều đầu vào Khuếch đại Cáp quang A/D P/S E/O Tín hiệu đầu O/E S/P D/A Hình 3.11 Sơ đồ khối mạch tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số qua A/D D/A Nguyên lý hoạt động mạch: Khi truyền dẫn số, tín hiệu xoay chiều đầu vào đưa vào khuếch khuếch đại tới cường độ yêu cầu để truyền Tín hiệu sau khuếch đại mã hóa chuyển đổi A/D, sau chuyển đổi thành tín hiệu nối tiếp phép truyền Tín hiệu nối tiếp đưa vào chuyển đổi E/O, Diode phát quang LED chuyển đổi E/O thực biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang truyền qua cáp sợi quang tới phía thu Tại phía thu, tín hiệu quang lại chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu điện nhờ Photo diode PIN chuyển đổi O/E Tín hiệu sau chuyển đổi O/E chuyển đổi trở 58 lại thành tín hiệu song song đưa tới chuyển đổi D/A để thu dạng sóng tương tự ban đầu Hình 3.12 Bộ mạch điện tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số qua chuyển đổi A/D D/A Quy trình thí nghiệm với tín hiệu xoay chiều đầu vào truyền dẫn số thực theo bước sau: Bước 1: Thực cài đặt sau: Bên khối phát: + INPUT INPUT SELECT S103: EXT.SIG.IN + AMPLIFIER DC AC S105: DC AD clock S104: 0.5 + E/O CONVERTER DATA SELECT S106: DIGITAL BIAS MODE S107: DIGITAL Bên khối thu: 59 + O/E CONVERTER BIAS MODE S210: DIGITAL + OUTPUT INPUT SELECT S202: D/A SPEAKER S203: OFF Bước 2: Kết nối máy phát tín hiệu EZ FG-7002C với tần số 100.15 Hz vào chân TB101 TB102 đầu vào khối phát Bước 3: Kết nối kênh CH1 máy sóng OS-5030 với chân TP101 TP 102 đầu vào khối phát Khi ta dạng sóng tín hiệu đầu vào có dạng hình sin với biên độ điện áp đầu vào 10 Vp-p hình 3.6 Bước 4: Kết nối kênh CH2 máy sóng OS-5030 với chân TP219 TP220 đầu khối thu ta thu tín hiệu có dạng sóng hình 3.13 Nhận thấy tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số với tần số lấy mẫu f M = 2000 Hz qua cáp sợi quang thẳng đầu ta thu tín hiệu có dạng sóng với tần số biên độ giống tín hiệu đầu vào Hình 3.13 Tín hiệu fM = 2000 Hz Bước 5: Khi thay đổi tần số lấy mẫu f M cách vặn núm AD clock S104 ta thu dạng sóng khác đầu sau: 60 Hình 3.14 Tín hiệu fM = 1000 Hz Hình 3.15 Tín hiệu fM = 500 Hz Hình 3.16 Tín hiệu fM = 200 Hz 61 Hình 3.17 Tín hiệu fM = 100 Hz Theo định lý lấy mẫu Nyquist tần số lấy mẫu f M thỏa mãn điều kiện: fM ≥ fthmax tức fM ≥ 500 Hz dạng sóng tín hiệu khôi phục giống với tín hiệu gốc ban đầu, tần số lấy mẫu không thỏa mãn điều kiện dạng sóng tín hiệu đầu bị méo nên khôi phục lại Vì tần số lấy mẫu f M tăng sai số tín hiệu đầu nhỏ tín hiệu có dạng giống với tín hiệu vào, ngược lại tần số lấy mẫu fM giảm sai số tín hiệu đầu lớn tín hiệu bị méo so với tín hiệu đầu vào Bước 6: Trên đường truyền cáp quang ta đặt đầu nối quang Light Bar với độ suy giảm – 8.24 dB đầu ta thu dạng sóng tín hiệu hình 3.18, ta thấy tín hiệu bị suy giảm qua đầu nối quang Hình 3.18 Tín hiệu sau biến đổi D/A sử dụng sợi cáp quang có đầu nối quang Light Bar 62 Bước 7: Thực thay đổi tần số từ máy phát tín hiệu EZ FG-7002C nhận thấy biên độ tín hiệu thay đổi (bảng 3.2) Bảng 3.2.Biên độ tín hiệu theo tần số tín hiệu vào truyền dẫn số Tần số f (Hz) Ur (V) 100.02 507.96 1.01K 2.11K 6.04K 10.06K 20.09K 30.62K 54.02K 10 10 10 10 9.8 9.2 8.4 7.07 Ur (V) 10 9.8 7.07 f (Hz) 100 1k 6.04k 10k 20k 30.62k 50k 60k Hình 3.19 Đặc tính biên độ - tần số tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số qua A/D D/A Chứng tỏ tín hiệu biến đổi phụ thuộc vào tần số, tần số tăng biên độ tín hiệu giảm ngược lại Hình 3.19 biểu diễn đặc tính biên độ 63 - tần số tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số qua chuyển đổi A/D D/A Khi tần số f = 6.04 kHz biên độ tín hiệu Ur bắt đầu bị suy giảm Ta thấy tần số tăng biên độ tín hiệu lại bị suy giảm nghĩa chất lượng liệu truyền từ bên phát sang bên thu nhận phụ thuộc vào tần số Đường đặc tuyến biên độ - tần số tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số qua A/D D/A gần giống với đường đặc tuyến biên độ - tần số tín hiệu xoay chiều truyền dẫn tương tự với tần số cắt 30.62 kHz 3.4 Tín hiệu đầu vào chiều Bộ chuyển đổi A/D 27 Bộ chuyển đổi P/S 26 Uv chiều 25 Khuếch đại E/O 24 23 22 21 20 27 Bộ chuyển đổi D/A 26 Cáp quang Bộ chuyển đổi S/P 25 Ur 24 O/E 23 22 21 20 Hình 3.20 Sơ đồ khối mạch điện đưa tín hiệu chiều vào Quy trình thí nghiệm với tín hiệu chiều đầu vào thực theo bước sau: 64 Bước 1: thực cài đặt sau: Bên khối phát: + INPUT INPUT SELECT S103: EXT.SIG.IN + AMPLIFIER DC AC S105: DC AD clock S104: 0.5 + E/O CONVERTER DATA SELECT S106: DIGITAL BIAS MODE S107: DIGITAL Bên khối thu: + O/E CONVERTER BIAS MODE S210: DIGITAL + OUTPUT INPUT SELECT S202: D/A SPEAKER S203: OFF Bước 2: Đưa tín hiệu chiều từ nguồn cung cấp PS1 – PSU/EV tới chân TB101 TB102 đầu vào khối phát hình 3.21 Sau kết nối đồng hồ vạn số với nguồn cung cấp tín hiệu chiều đề điều chỉnh mức điện áp chiều đưa vào Giá trị hiển thị đồng hồ vạn số giá trị điện áp đầu vào UV 65 Hình 3.21 Biểu diễn kết nối đưa tín hiệu chiều vào Bước 3: Kết nối đồng hồ vạn số với chân TB219 TB220 đầu khối thu hình 3.22 Giá trị hiển thị đồng hồ vạn số giá trị điện áp đầu UR Hình 3.22 Biểu diễn khảo sát điện áp vào tín hiệu chiều trạng thái hiển thị đèn LED Bước 4: Thực thay đổi điện áp đầu vào thấy ứng với giá trị điện áp vào trạng thái hiển thị đèn LED đầu chuyển 66 đổi A/D đầu vào chuyển đổi D/A Các trạng thái đèn LED đầu chuyển đổi A/D đầu vào chuyển đổi D/A giống với giá trị điện áp đầu vào Trong thí nghiệm sử dụng chuyển đổi A/D D/A bits nên có đèn LED từ 20 đến 27, trạng thái hiển thị đèn tương ứng với giá trị bit Khi đèn LED sáng tương ứng với mức logic “1” LED tối tương ứng với mức logic “0” Vì khối phát ( ITF – 210A – T ) cho phép điện áp đưa vào từ nguồn cung cấp DC khoảng từ 1.25V ÷ 10.16V nên ta có kết hiển thị thể bảng 3.3 Bảng 3.3.Biểu diễn trạng thái đèn LED điện áp vào, mạch LED display 27 26 25 24 23 22 21 20 UR (V) (V) UV(V) 1.25 1.59 2.25 3.36 5.04 7.13 10.16 Decimal 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 + 1.2 + 1.6 + 2.24 + 3.36 + 5.04 + 7.12 + 10.16 1.23 1.58 2.24 3.35 5.04 7.12 10.16 Từ kết đo ta thấy điện áp đầu có giá trị gần với điện áp đầu vào Mỗi chuỗi bit hiển thị thay giá trị thập phân công thức sau: ( P – 128 ) x 80 mV Trong đó: P giá trị đếm 80 mV giá trị bit LSB Bit MSB dùng để xác định dấu Nếu MSB = giá trị số dương MSB = giá trị số âm VD: 67 10011100 = (1 x 27 + x 26 + x 25 + x 24 + x 23 + x 22 + x 21 +0 x 20 ) x 80 mV = + 2.24 V Ta thấy giá trị thập phân tính toán gần giống với giá trị điện áp tín hiệu Có số kết khác sai khác trình chuyển đổi tín hiệu tạp âm lẫn vào tín hiệu gây nên 68 KẾT LUẬN Việc truyền tín hiệu tương tự hay tín hiệu số qua cáp sợi quang thẳng cho ta kết gần giống với chất lượng tốt Còn cáp sợi quang có đầu nối quang Light Bar tín hiệu đầu bị méo, chất lượng tín hiệu thu không tốt việc truyền qua cáp sợi quang thẳng Đối với việc truyền tín hiệu qua chuyển đổi A/D D/A tần số lấy mẫu f M tăng phải thỏa mãn định lý lấy mẫu Nyquist: f M ≥ fthmax chất lượng tín hiệu thu tốt ngược lại tần số lấy mẫu giảm tín hiệu méo, chất lượng giảm Tín hiệu đầu phụ thuộc vào tần số đầu vào, tần số đầu vào tăng biên độ tín hiệu giảm ngược lại Việc truyền tín hiệu qua chuyển đổi A/D D/A cho ta chất lượng tốt hơn, tín hiệu thu bị ảnh hưởng nhiễu so với truyền tín hiệu tương tự Vì ngày việc truyền tín hiệu số ngày sử dụng phổ biến Để hoàn thành đồ án lần em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo ThS Trương Thanh Bình, thầy cô giáo khoa bạn sinh viên lớp ĐTV52 – ĐH giúp đỡ em nhiều trình thực đồ án suốt thời gian 4.5 năm học tập Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Minh Hà, Kỹ thuật mạch điện tử, NXB Khoa học kỹ thuật, 2005 Trương Thanh Bình, Bài giảng chi tiết Điện tử tương tự , Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam Tài liệu Internet http://www Ebook.edu.vn/ http://www Dvb.org/ 70 NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tinh thần thái độ, cố gắng sinh viên trình thực Đồ án/khóa luận: Đánh giá chất lượng Đồ án/khóa luận tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đề mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh vẽ): Chấm điểm giảng viên hướng dẫn (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày tháng năm 2015 Giảng viên hướng dẫn ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN Đánh giá chất lượng Đồ án/khóa luận tốt nghiệp mặt: thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý thuyết, vận dụng vào điều kiện cụ thể, chất lượng thuyết minh vẽ, mô hình (nếu có) …: Chấm điểm người phản biện (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày 2015 Người phản biện tháng năm