THIẾT kế và CHẾ tạo máy PHÂN TÍCH đa KÊNH GHÉP máy TÍNH QUA CỔNG USB

Journal of Thu Dau Mot university, No5(7) – 2012 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHÂN TÍCH ĐA KÊNH GHÉP MÁY TÍNH QUA CỔNG USB Nguyễn Văn Sơn Trường Đại học Thủ Dầu Một TÓM TẮT Bài báo giới thiệu việc thiết kế phần cứng giải thuật phần mềm máy phân tích đa kênh (1024 kênh) ghép với máy tính qua cổng USB, phương án khả thi rẻ tiền để chế tạo máy đa kênh Phần cứng: Thiết kế chế tạo khối chức máy phân tích đa kênh gồm: Khối khuếch đại phổ phát xung điều khiển ADC; Khối nguồn nuôi cao áp; Khối logic giao tiếp PC qua cổng USB; Khối nguồn nuôi thấp Phần mềm gồm phần giải thuật điều khiển thu thập liệu máy vi tính công cụ thiết yếu máy đa kênh Các đặc trưng kó thuật hệ chế tạo đo độ phân giải lượng 40 keV đỉnh Cs-137 664keV dùng với detector nhấp nháy Bicron Model 302-2x2 CANBERRA, độ trôi phổ nhỏ ± 0.01%oC toàn thang đo, độ phi tuyến tích phân nhỏ ± 0.05% toàn thang đo, độ phi tuyến vi phân nhỏ ± 3.4% toàn thang đo Với đặc trưng vừa nêu, máy thiết kế chế tạo khả đáp ứng nhu cầu thực tập môn vật lí hạt nhân sinh viên ngành vật lí hạt nhân Từ khóa: máy phân tích đa kênh, khuếch đại phổ * Giới thiệu Các máy phân tích đa kênh hợp máy phân tích đa kênh serie 30, serie 40 Canberra đắt tiền phức tạp để thiết kế chế tạo điều kiện Việt Nam, phương án khả thi rẻ tiền chế tạo máy phân tích đa kênh ghép với máy vi tính Thiết kế máy phân tích đa kênh thiết bò ảo máy vi tính có thuận lợi: phần cứng kết nối với máy vi tính không phức tạp, thuận tiện cho việc thiết kế thi công; phần cứng kết nối với máy vi tính không phụ kiện chuyển kênh, núm biến trở, công tắc… mà phụ kiện trở thành phụ kiện ảo hình máy vi tính Thực đề tài góp phần giải vấn đề thiếu thốn thiết bò phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân mà máy phân tích đa kênh thiết bò Máy phân tích đa kênh thiết bò chủ lực phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân Lâu thiết bò phải nhập ngoại thiết bò đắt tiền Nếu tự chế tạo máy phân tích đa kênh chủ động cung cấp thiết bò Ngoài vấn đề kinh tế, tự chế tạo máy đa kênh có ý nghóa sau: - Cung cấp mã nguồn thiết bò cho người sử dụng, cho phép người sử dụng phát triển công cụ phân tích thu thập liệu Điều có mua thiết bò nước - Chế tạo máy phân tích đa kênh tạo tiền đề để chế tạo thiết bò khác cho phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân theo yêu cầu việc nghiên cứu vật lí hạt nhân 10 Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 5(7) - 2012 chủ lực Do đề tài thử nghiệm nên số kênh thiết kế 1024 kênh không số kênh máy phân tích đa kênh đại nước 2048, 4096 kênh, với số kênh với tiêu độ phân giải lượng tốt đủ thỏa mãn chất lượng cho sinh viên làm thí nghiệm vật lí hạt nhân FET nên có tạp âm thấp đáp ứng tương Nội dung hãng Microchip, biến trở số bit nên đối nhanh Đầu vào khuếch đại tuyến tính mạch bổ pole-zero để triệt bướu âm Bộ phận tích phân hoạt gồm U4B, U4C, U4D , tác dụng phận tích phân hoạt sửa dạng xung thành dạng Gauss Bộ phận điều khiển hệ số khuếch đại xây dựng biến trở số MCP41010 có 256 mức chỉnh hệ số khuếch đại Mạch 2.1 Khối khuếch đại phổ khối logic phục hồi đường không (phục hồi mức phát xung điều khiển ADC bản) gồm linh kiện: U5A, U5C U5D Khối khuếch đại phổ gồm phận: Nguyên tắc mạch phục hồi đường không phận khuếch đại tuyến tính, phận sử dụng vòng phản hồi âm thành phần DC tích phân hoạt, mạch phục hồi đường để ổn đònh mức chiều U5C mạch tích không (BLR: Base Line Restorer), cổng phân để lấy thành phần chiều vòng phục hồi đường (Base Line Restorer phản hồi U5A tầng khuếch đại đệm Gating) phận điều khiển hệ số Av=1, trở kháng lối vào lớn, trở kháng lối khuếch đại Bộ phận khuếch đại tuyến tính bé U5D tầng khuếch đại đảo dấu Cổng xây dựng IC U1, U2, U3 U4 phục hồi đường gồm linh kiện: U1, U2 OP37 đáp ứng nhanh tạp âm U5B, U9, U8A, cặp vi sai Q1, Q2 U7 thấp, U3, U4A TL084 OP-AM lối vào Hình 1: Sơ đồ nguyên lí khối khuếch đại phổ Mạch phục hồi đường tác động xung xuất hiện, có xung xuất cần làm tác động mạch phục hồi đường U9 tầng ngưỡng để phát có xung, U8A mạch đơn ổn để phát xung có độ rộng bao phủ xung, cặp vi sai 11 Journal of Thu Dau Mot university, No5(7) – 2012 Q1-Q2 có chức khóa dòng phân cực cho U7 thời gian xuất xung làm xóa tác động mạch phục hồi đường không thời gian xung xuất Sơ đồ nguyên lí khối logic phát xung điều đại phổ U3A, D1, C19 tạo thành tầng giữ khiển ADC cho vi điều khiển hình Lối họa giản đồ xung hình đỉnh, dạng xung giữ đỉnh khuếch đại đệm nhờ U3C phục vụ cho biến đổi AD Khối phát xung điều khiển ADC xây dựng đơn ổn CD4528, hoạt động khối phát xung minh vào tầng nối tới lối khối khuếch INPUT R20 10 12V 10uF 1K R24 1k 11 TL084 C19 0.01uF 10uF C18 0.1uF 5V 10k 10 - TL084 11 C1815 R21 10 Q1 U3C 5V R CX RCX 12 11 13 5V To RD4 From RB4 15 14 -12V CX RCX C21 1nF POT6 1K + U4 C17 R22 TL084 C20 0.01uF POT5 10K ZEN 4.7V D2 - 11 + D1 1N4148 U3A 3 U3B + C16 0.1uF 5V POT4 C15 10 R CD4528 To AN0 R23 10k Hình 2: Khối logic phát xung điều khiển ADC cho vi điều khiển vi điều khiển PIC18F4550 với lí do: 1) Vi điều khiển có ADC 10 bit tương ứng (a) với 1024 kênh máy phân tích ; 2) Vi điều khiển tích hợp cổng USB 2.0 Vi (b) điều khiển đảm nhận chức năng: - Biến đổi AD: Xung khuếch đại phổ giữ đỉnh đưa vào pin (AN0) để biến đổi AD Mức logic cao RD4 từ khối phát xung điều khiển ADC dùng làm tín hiệu bắt đầu biến đổi AD Sau khoảng thời gian biến đổi AD (15 us) tín hiệu chân 10 U4 kích dẫn transistor Q1 để xóa điện tích (c) (d) (e) Hình 3: Giản đồ xung khối phát xung điều khiển ADC: (a) Tín hiệu lối vào (+) U3A; (b) Tín hiệu lối giữ đỉnh lối U3C; (c) Tín hiệu lối U3A; (d) Tín hiệu chân U4, độ rộng 15us; (e) Tín hiệu chân 10 U4 dùng để xóa điện tích tụ C19, độ rộng us tụ giữ đỉnh C19 - Điều khiển hệ số khuếch đại: Vi điều khiển điều khiển hệ số khuếch đại khuếch đại phổ thông qua đường 2.2 Khối điều khiển dây điều khiển RB5, RB6, RB7 tới vi mạch biến trở số MCP41010 mạch Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển khuếch đại phổ hình Khối điều khiển xây dựng 12 Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 5(7) - 2012 VDD=5V U8 PIC18F4550 10 VDD=5V 11 X1 C24 100nF 20MHz 12 13 C22 C23 14 20pF 20pF 15 16 17 18 19 20 RB7 RA0/AN0 RB6 RA1/AN1 RB5 RA2/AN2/VREF-/CVREF RB4 RA3/AN3/VREF+ RB3 RA4/TOCKI RB2 RA5/SS RB1 RE0/RD RB0/INT RE1/WR VDD RE2/CS Vss VDD RD7/PSP7 Vss RD6/PSP6 OSC1/CLKIN RD5/PSP5 OSC2/CLKOUT RD4/PSP4 RC0/T1OSO/T1CKI RC7/RX/DT RC1/T1OSI/CCP2 RC6/TX/CK RC2/CCP1 RC5/D+/VP VUSB RC4/D-/VM RD0/PSP0 RD3/PSP3 RD1/PSP1 RD2/PSP2 40 39 38 37 36 35 34 33 VDD=5V RB7 RB6 U9 RB5 RB4 VCC=12V MCP41010 R38 CS VDD SCK B SI W Vss 32 526 A VDD=5V 31 C25 100nF 30 11 MCLR/Vpp/RE3 U10 LM324A CTL- HV U10A + AN0 - R37 4.7K VDD=5V -VCC=-12V 29 28 27 RD4 26 25 CONN USB 24 23 22 21 Hình 4: Sơ đồ nguyên lí tầng vi điều khiển điều khiển trình máy phân tích giao tiếp với máy tính 50%) tạo xung pha ngược lấy Q Q U5A Các linh kiện D6,C11, R32 D7,C12, R33 có công dụng co hẹp độ rộng xung, hệ số độ rộng xung bé 50% có công dụng tránh tượng MOSFET chưa tắt hẳn MOSFET kích dẫn Khối tạo xung cao áp chỉnh lưu: Tăng biên độ xung nhờ biến áp, để biên độ xung 1KV chỉnh lưu nhân hai 2KVDC tỉ số biến áp phải thỏa mãn 1:100 Chỉnh lưu dương nhân hai điện áp nhờ diode D6, D7 C5, C6, san nhấp nhô nhờ R30, C9 Tương tự, phần chỉnh lưu âm gồm linh kiện D8, D9, C7, C8 san nhấp nhô nhờ R31, C10 Khối phản hồi tạo ổn đònh cao áp: Bộ phận lấy mẫu điện áp gồm R8, R9 POT1, khuếch đại điện áp lấy mẫu U1C, U1A, U1B khuếch đại đảo dấu dùng cao áp cực tính âm U1D, khuếch đại so sánh U2B, điện áp chuẩn đưa vào đầu biến trở POT2, điện áp chuẩn thay đổi để mong muốn điện áp lối 2.3 Khối cao Sơ đồ nguyên lí hình Khối cao phân thành khối chức năng: dao động (U6); tạo xung điều khiển cho MOSFET (U5A,U4A-U4D); linh kiện ngắtmở MOSFET IRF840 (Q3, Q4), tạo xung cao áp nhờ biến áp ferit T1; chỉnh lưu tạo điện áp dương (D6, D7) tụ điện (C5, C6, C9); chỉnh lưu tạo điện áp âm (D8, D9) tụ điện (C7, C8, C10); khối phản hồi tạo ổn đònh cao áp (U1C, U1D, U1A, U1B, U2B Q1, Q2); khối bảo vệ cao áp (U2C, U2A, U3B, U3A); khối bảo vệ dòng cho Q3 Q4 (U3D, U3A) Khối dao động tạo xung điều khiển ngắt mở cho MOSFET: dao động nhờ U6 – LM555, tần số dao động điều chỉnh nhờ biến trở POT5 để có tần số dao động lặp lại cỡ 32KHz, tỉ số độ rộng xung (duty factor) tùy ý Xung dao động từ U6 – LM555 đưa đến chia đôi tần số U5ACD4013B, mục đích việc chia đôi tần số cho xung cân xứng (hệ số độ rộng xung 13 Journal of Thu Dau Mot university, No5(7) – 2012 thay đổi lấy từ board logic (tại chân CTL-HV) Điện áp lối khuếch đại so sánh đệm nhờ Q1 Q2 để cấp điện áp nuôi cho biến áp xung T1 Khối bảo vệ: Gồm bảo vệ cao áp điện trở lấy mẫu dòng R21; khuếch đại so bảo vệ dòng cho MOSFET Khối bảo Các đặc trưng kó thuật thiết kế khối sánh U3D Khi có tượng dòng, lối U3D lên cao làm Q5 dẫn, kéo điện nuôi cho biến áp T1 không vệ cao áp gồm: khuếch đại đệm U2C; nguồn cao áp: khuếch đại so sánh U3B transistor Q5 - Điện áp từ 0V đến kV 256 bước Khi điện áp cao áp lối cao mức qui - Dòng cao áp cực đại 10mA đònh, lối U3B lên mức cao làm Q5 dẫn, 2000V, có nghóa công suất cực đại nguồn kéo điện nuôi cho biến áp T1 không, cao áp 10VA đồng thời LED D5 sáng báo có cố bảo - Đổi cực tính nguồn cao áp vệ Bảo vệ dòng cho MOSFET gồm: chuyển khí Hình 5: Sơ đồ nguyên lí khối cao 2.4 Khối nguồn nuôi điện áp thấp tạo thành lọc điện lưới (line filter) Chỉnh Sơ đồ nguyên lí hình Khối nguồn lưu bán kì điện áp dương: D14; D15; C29 nuôi điện áp thấp xây dựng biến Ổn áp 12V, 5V nhờ IC U11 U12 Chỉnh áp hạ áp T2 220VAC/15VAC, 15VAC, 40VA lưu bán kì điện áp âm: D16; D17; C30 Ổn Các linh kiện R38, R39, T3,C26, C27, C28 áp -12V nhờ IC U13 14 Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 5(7) - 2012 OUTPUT 12V R39 C29 D15 1N4007 0VAC D16 1N4007 VI C31 VO OUTPUT 5V C33 C32 C30 4 T2 T3 VO C28 C26 15VAC GND 220VAC VI GND 15VAC C27 R38 U12 LM7805 GND U11 LM7812 D14 1N4007 VI D17 1N4007 VO OUTPUT -12V LM7912 U13 Hình 6: Sơ đồ nguyên lí nguồn nuôi điện áp thấp Điều khiển điện áp cao áp: Khi vi điều khiển nhận byte thứ số 2, byte thứ số 0-255, vi điều khiển lấy liệu byte thứ hai điều khiển biến trở số U9-MCP41010 giao thức SPI (tại mạch logic) MCP41010 biến trở số 10KW Khi liệu byte thứ hai 255, điểm W biến trở số điểm A có điện 5V, điện lối đệm U10-LM324 (tại mạch logic) tương ứng với điện cao áp lối cực đại 2kV Từ 0V đến 2KV chia thành 255 bước, bước ứng với 8V Điều khiển hệ số khuếch đại khối khuếch đại: Khi vi điều khiển nhận byte thứ số 3, byte liệu thứ hai vi điều khiển dùng để điều khiển biến trở số MCP41010 (tại mạch khuếch đại phổ) Hệ số truyền biến trở số tính theo công thức sau: 2.5 Giải thuật điều khiển, thu nhận phổ công cụ tiện ích Giải thuật đóng – mở điều khiển điện áp cao áp, điều khiển hệ số khuếch đại khối khuếch đại: Máy vi tính điều khiển cho vi điều khiển máy phân tích cách gửi byte qua cổng USB, byte thứ tạm gọi mã lệnh để lệnh cho vi điều khiển làm công việc gì, byte thứ liệu công việc cần điều khiển Sau bảng tổng kết qui ước byte điều khiển chuyển từ máy tính đến vi điều khiển Công việc điều khiển Đóng – mở cao áp Byte thứ (mã lệnh) Byte thứ hai (dữ liệu) (dạng số thập phân) (dạng số thập phân) 01 0: tắt cao áp 1: mở cao áp Điều khiển điện áp cao áp 02 - 255 Điều khiển hệ số khuếch đại khối khuếch đại 03 0-255 AV = R WA (1) R AB Giải thuật hiển thò phổ: Một điểm phổ tượng trưng điểm (Shape1(i)), độ cao hàm số đếm M(i) giá trò Vscroll1, đoạn mã nguồn hiển thò phổ: Bảng 1: Bảng tổng kết qui ước byte điều khiển chuyển từ máy tính đến vi điều khiển For i=0 to 1023 Shape1(i).top=5800 – Vscroll1.Value*M(i) Đóng – mở cao áp: Khi vi điều khiển nhận byte thứ số 01, byte thứ hai số 0, vi điều khiển xuất mức cao bit RD5 làm Q5 (mạch cao thế) dẫn, kéo theo Q1, Q2 ngưng dẫn làm điện áp nuôi cho biến áp xung T1 (mạch cao thế) tắt cao áp Ngược lại, byte thứ hai số 1, vi điều khiển xuất mức thấp bit RD5 làm Q5 ngưng, kéo theo Q1, Q2 dẫn, có điện áp nuôi cho biến áp xung T1, có cao áp Shape1(i).Left = 400 + i * 15 Next Hai trỏ có hình mũi tên (Image1 Image2), trỏ chạy theo trỏ chuột máy tính kích chuột trái Sau đoạn mã nguồn di chuyển trỏ 1: If Button = Then If ((Image1.Left >= 200) And (Image1.Left