Trong xu thế hội nhập và phát triển hiện nay, với yêu cầu nhanh chóng nắm bắt các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến để làm chủ các thiết bị nghiên cứu, chúng tôi đã mạnh dạn đề ra mục tiêu tự chế tạo thiết bị để phục vụ cho nghiên cứu và ứng dụng. Trong báo cáo xin trình bày kết quả chế tạo máy thu tín hiệu VLF để nghiên cứu nhiễu loạn tầng Điện ly tức thời cho mục đích giáo dục thời tiết không gian.
Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Chế tạo máy thu tín hiệu tần số thấp để nghiên cứu nhiễu loạn tầng Điện ly tức thời Vĩnh Hào, Lê Tấn Hùng Trần Tiến Phức Viện Nghiên cứu & ứng dụng Công nghệ Nha Trang Nha Trang, Việt Nam Email: hao.vinh@gmail.com Đại học Nha Trang Nha Trang, Việt Nam Email: phuctt@ntu.edu.vn Tóm tắt: Kỹ thuật sử dụng tín hiệu tần số thấp (VLF-Very Low Frequency) công cụ hữu hiệu để nghiên cứu nhiễu loạn tầng Điện ly tức thời tín hiệu VLF bị phản xạ lớp D tầng Điện ly Trong xu hội nhập phát triển nay, với yêu cầu nhanh chóng nắm bắt kỹ thuật cơng nghệ tiên tiến để làm chủ thiết bị nghiên cứu, mạnh dạn đề mục tiêu tự chế tạo thiết bị để phục vụ cho nghiên cứu ứng dụng Trong báo cáo xin trình bày kết chế tạo máy thu tín hiệu VLF để nghiên cứu nhiễu loạn tầng Điện ly tức thời cho mục đích giáo dục thời tiết khơng gian A Thiết kế & chế tạo anten Máy thu VLF sử dụng anten vòng [1], cấu tạo từ vòng dây dẫn làm thành khung dây có bán kính nhỏ so với bước sóng Chúng tơi chế tạo anten nhỏ có đường kính lõi dây cỡ 0,6 mm, gồm 50 vịng dây khung hình vng có cạnh dài mét (Hình 2) Anten dễ chế tạo, nhiên có nhược điểm khơng bền sử dụng ngồi trời phải chịu tác động trực tiếp mưa nắng Ngoài đồ thị phương hướng anten bị méo dạng chịu tác động hiệu ứng anten lên khung [2] Từ khóa: Tín hiệu VLF, máy thu VLF, nhiễu loạn tầng Điện ly tức thời I GIỚI THIỆU Hiện nay, Liên Hiệp Quốc chủ trì chương trình hợp tác khoa học Quốc tế ISWI (International Space Weather Initiative) nhằm thúc đẩy việc nghiên cứu thời tiết vũ trụ dự báo yếu tố thời tiết khoảng không gian vũ trụ gần Trái Đất Qua chương trình này, máy thu AWESOME Đại học Stanford Mỹ sử dụng kết hợp với hệ thống máy phát VLF toàn cầu để nghiên cứu biến đổi khí hậu, tầng điện ly từ trường Trái Đất Ngoài ra, gần 300 máy thu SID (Sudden Ionospheric Disturbance monitor) có thiết kế đơn giản Đại học Stanford nhằm phát triển giáo dục thời tiết không gian cung cấp cho nhiều trường học giới Dựa thiết kế máy SID Đại học Stanford, chế tạo máy thu VLF với mục đích nghiên cứu nhiễu loạn tầng Điện ly tức thời Việt Nam II Anten Vì vậy, chúng tơi định lắp thêm anten khung nhỏ hình trịn có vỏ bọc kim loại để nâng cao chất lượng bảo vệ anten trước tác động môi trường Bằng cách tận dụng anten vô tuyến tầm phương cũ , tháo rời khung, rút cáp dẫn sử dụng khoảng 200 mét dây cách điện, đường kính 0,6mm để quấn lại dây anten bên vỏ bọc kim loại Do đường kính khung 0,8m, nên số vòng dây quấn xấp xỉ 80 vòng Việc quấn dây anten vào ống kim loại thật cơng việc vất vả Vì tháo rời khung để quấn dây vịng dây bị lỏng lẻo bị rối Chúng phải lắp vòng dây thép lồng khung để quấn dây, sử dụng khoảng trống phần ghép nối đỉnh đáy để luồn dây, lần tối đa 10cm (Hình 3) THIẾT KẾ, CHẾ TẠO Tiền khuếch đại Lọc tần số Tách sóng Hậu khuếch đại Đầu DATA NI USB 6009 Hình Chế tạo anten khung nhỏ hình vng làm anten thu VLF Đầu âm MÁY TÍNH LOA Hình Cải tiến anten vô tuyến tầm phương thành anten khung nhỏ hình trịn Hình1 Sơ đồ khối hệ máy thu SID ISBN: 978-604-67-0349-5 337 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) cấu lọc băng thơng BPO (Bandpass Ouput) lọc thông thấp LPO (Lowpass Ouput) Tần số trung tâm lên tới 300kHz, có độ xác ± 0.9% độ méo dạng hài (total harmonic distortionTHD) tốt -86dB B Thiết kế & chế tạo bảng mạch bảng mạch lọc tần sơ 1) Thiết kế chế tạo mạch tiền khuếch đại Đầu vào anten gắn vào thông qua kết nối TNC Tụ C8 cô lập điện áp DC đầu vào thực chức lọc thông cao RC, bao gồm C8 R4 để giúp loại bỏ nhiễu điện lưới 50/60 Hz, với f = 1/(2πRC) = 1/(2π*2,2KΩ *0,1μF) = 723 Hz (1) IC MAX275 chứa hai tầng, tầng lọc bậc cài dặt đáp ứng lọc băng thông Butterworth, Bessel, Chebyshev lập trình bốn điện trở ngồi (R1,R2,R3,R4) Theo tài liệu công bố datasheet IC MAX275 [4], điện trở tính sau: R2 = (2 × 10 ) (4) F0 (5) R4 = R2 − 5kΩ ) Q × 2.10 ⎛ RX ⎞ ×⎜ ⎟ F0 ⎝ RY ⎠ (6) R1 = R3 H OBP (7) Hình Sơ đồ mạch tiền khuếch đại Căn vào chức khuếch đại mạch khuếch đại thuật tốn [3], chúng tơi thiết kế mạch tiền khuếch đại gồm hai tầng khuếch đại đầu vào không đảo đảo Tầng mạch tiền khuếch đại với đầu vào khơng đảo có độ khuếch đại: (2) A1=(R5+R6)/R5=(1KΩ+100KΩ)/1KΩ=101 lần Tầng thứ hai với đầu vào đảo có độ khuếch đại điều chỉnh biến trở R3: A2=R3/R7=(0-200KΩ)/10KΩ=0-20 lần (3) Để kiểm tra mạch tiền khuếch đại chế tạo mạch dao động phát xung sử dụng IC 8038 có tần số xung điều chỉnh từ vài Hz tới vài chục kHz (Hình 5) ( R3 = BẢNG 1: GIÁ TRỊ CỦA RX/RY CHÂN FC NỐI VỚI RX/RY V+ 4/1 GND 1/5 V1/25 Ở HOBP độ lợi BPO (Bandpass Ouput) ứng với tần số trung tâm F0 Q hệ số chất lượng Hình 7: Sơ đồ mạch lọc tần số thiết kế Bảng mạch lọc tần số thiết kế riêng biệt để dễ dàng điều chỉnh tần số trung tâm (F0) Hình Sơ đồ mạch tạo xung mạch chế tạo dùng IC 8038 2) 3) Thiết kế & chế tạo bảng mạch lọc tần số Thiết kế chế tạo mạch hậu khuếch đại Hình Sơ đồ mạch hậu khuếch đại Bộ hậu khuếch đại lấy tín hiệu có tần số chọn lọc tách từ tín hiệu băng thông rộng bảng mạch lọc tần số khuếch đại lên theo ba mức Đây xem giải pháp dự phịng cho tín hiệu đầu vào Hình Sơ đồ mạch lọc tần số thời gian liên tục dùng IC Max275 Mạch lọc tần số được thiết kế dựa IC MAX275 lọc tích cực thời gian liên tục ISBN: 978-604-67-0349-5 338 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) yếu thiết kế anten chất lượng Điều thực chuyển đổi (công tắc trượt) lựa chọn độ khuếch đại x1, x3 x6 4) Thiết kế chế tạo mạch tách sóng điều biên Mỗi trạm phát sóng VLF ln phát tín hiệu có tần số biên độ cố định Tuy nhiên, tác dụng tầng điện ly tín hiệu thu trạm thu bị thay đổi pha biên độ Qua tầng điện ly Hình 12 Sơ đồ mạch tách sóng điều biên thiết kế 5) Thiết kế chế tạo mạch Audio ouput IC4 G$2 đệm khuếch đại nhất, tụ C14 cô lập thành phần DC đến đường âm nối với loa khuếch đại kết nối stereo Hình Tín hiệu phát - Tầng điện ly - Tín hiệu thu Để theo dõi biên thiên biên độ tín hiệu thu sử dụng mạch tách sóng chỉnh lưu tồn sóng Hình 10 cho thấy chỉnh lưu tồn sóng tương đương với phép nhân sóng với sóng vng (tại tần số F0 ) Đó tiến trình lấy trị tuyệt đối phần âm sóng mang [5] Hình 13 Sơ đồ mạch Audio output 6) Thiết kế chế tạo mạch Data output Khuếch đại thuật toán IC6 cho phép điện áp DC đầu thay đổi từ mức sang mức khác Mức điện áp đươc chuyển vào máy tính để ghi nhận biến thiên biên độ tín hiệu theo thời gian Tầng (IC6 G$1) có độ khuếch đại là: Hình 10 Chỉnh lưu tồn sóng R1 R2a ‘A’ R4 R3 Vin A = R8/R10 = 267kΩ/8.06kΩ = 33,127 - - + + R2b (8) C12 C13 làm giảm biến đổi thất thường đỉnh nhọn C16 ổn định điện áp đầu vào để tạo thành qui chiếu ổn định Vout ‘B’ Hình 11 Sơ đồ mạch chỉnh lưu tồn sóng (http://www.solidfluid.co.uk/sfsite.php/0000030F) Chúng tơi chọn mạch chỉnh lưu theo sơ đồ Hình 11 [6] Đây thực mạch chỉnh lưu tồn sóng giá trị tuyệt đối, thấy thực hai mạch liên kết với Mạch bên phải khuếch đại đảo Mạch bên trái khuếch đại đảo, có hai vịng hồi tiếp riêng biệt giống , thơng thường giá trị R2a & R2b giống R1 Vòng lặp hồi tiếp A sử dụng đầu vào dương Vòng lặp hồi tiếp B sử dụng đầu vào âm Hoạt động mạch giống hai chỉnh lưu nửa sóng ISBN: 978-604-67-0349-5 Hình 14 Sơ đồ mạch DATA output III KẾT QUẢ & THẢO LUẬN Trên Hình 15 Hình 16 bảng mạch máy thu VLF chế tạo hoàn chỉnh 339 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ thơng tin (ECIT2014) Hình 17 Kiểm tra máy thu tín hiệu từ phát xung (trái) tín hiệu trực tiếp từ anten (phải) A Kiểm tra máy thu tín hiệu từ mạch phát xung Chúng tơi sử dụng tín hiệu từ phát xung, đồng hồ số WELLINK HL-1240 dao động kí Tektronic TDS 3032B để kiểm tra, đánh giá hoạt động bảng mạch vào điểm kiểm tra (Hình 17 Bảng 1) Hình 15 Các bảng mạch chế tạo hoàn chỉnh Điện áp đầu phát xung phân áp điện trở để giá trị tín hiệu đầu vào mạch tiền khuếch đại khoảng 10mV, giá trị khó xác định biên độ hình dạng tín hiệu nhiễu Để tín hiệu đầu tầng hai khơng bị cắt đỉnh, thường phải giảm hệ số khuếch đại tầng hai cách sử dụng biến trở R3 (Hình 18, Hình 19 Bảng 2) Hình 16 Máy thu VLF chế tạo hoàn chỉnh BẢNG 1: CÁC ĐIỂM KIỂM TRA TRÊN BO MẠCH CHÍNH VÀ BO MACH LỌC TẦN SỐ Bảng mạch Điểm kiểm tra -5v +5v GND PREAMP FILTER OUT DETECT STRENGTH DATA OUTPUT Ý nghĩa Bảng mạch tần số Điểm kiểm tra Nguồn -5 Volt Nguồn +5 Volt Mát (0 volt) Tín hiệu mạch tiền khuếch đại Tín hiệu từ bảng mạch lọc tần số Tín hiệu mạch chỉnh lưu tồn sóng Integrated signal (mức DC) Shifted (mức DCl) a) INPUT FREQ-A FREQ-B b) Biên độ Tín hiệu xung phát Tín hiệu đầu vào Tín hiệu đầu tầng Tín hiệu đầu tầng 5000 mV 10 mV 600 mV 5KΩ R1, Hình 19: Kiểm tra mạch tiền khuếch đại: a)1.Tín hiệu vào – 2.Đầu tầng 2; b) 1.Đầu tầng 1- 2.Đầu tầng ISBN: 978-604-67-0349-5 Tín hiệu đầu vào (tín hiệu mạch tiền k đại) Tín hiệu lọc lựa tần số tầng thứ Tín hiệu lọc lựa tần số tầng thứ hai BẢNG 2: KẾT QUẢ DÙNG BỘ PHÁT XUNG KIỂM TRA MẠCH TIỀN KHUẾCH ĐẠI Hình 18: Kiểm tra mạch tiền khuếch đại: a) 1.Tín hiệu phát – 2.Tín hiệu vào; b) 1.Tín hiệu vào - 2.Đầu tầng a) Ý nghĩa 340 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) BẢNG 4: KẾT QUẢ KIỂM TRA MẠCH CHỌN LỌC TẦN SỐ KHI CỐ ĐỊNH TẦN SỐ TRUNG TÂM F0=21,1 KHZ (Đơn vị đo: mV) R3100mV (Hình 22): a) Hình 23: Mức DC điểm kiểm tra thay đổi cường độ tín hiệu vào: SIGNAL_STRENGTH (đường trên) biến thiên từ đến 500mV b) DATAQ (đường dưới) biến thiên lên xuống từ -3,5V đến +2,5V B Kiểm tra máy thu tín hiệu trực tiếp từ anten Tín hiệu thu trực tiếp từ Anten có băng thơng rộng, tần số biên độ tín hiệu thay đổi liên tục Các kết kiểm tra trình bày Hình 24 Hình 25 Hình 22: Dạng tín hiệu điểm kiểm tra: a) 1.Postamp - 2.Signal Detect; b) 1.Input - Signal Detect (sử dụng điốt 1N4148) ISBN: 978-604-67-0349-5 341 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thơng tin (ECIT2014) a) Do tín hiệu thu trực tiếp từ Anten biến thiên phản ảnh biến động tầng Điện ly nên mức điện áp DC điểm kiểm tra “Signal Strength” thay đổi theo lưu trử dạng file số liệu máy tính thông qua card NI USB 6009 phần mềm Labview (Hình 27) b) Hình 24: Tín hiệu điểm kiểm tra: a) 1.Đầu vào anten-2.Tầng Preamp; b) 1.Tầng Preamp-2.Tầng Preamp a) b) c) Hình 25: Tín hiệu điểm kiểm tra: a) 1.INPUT-2.FREQ-A ); b) 1.FREQ-A -2.FREQ-B; c) 1.Posamp-2.Signal detect (phải) Hình 27: Ghi số liệu VLF lên máy tính sử dụng card NI USB 6009 phần mềm Labview Kết kiểm tra máy thu VLF tín hiệu từ phát xung tín hiệu trực tiếp từ Anten trình bày Bảng IV Dựa thiết kế Đại học Stanford [7] sửa chữa cho phù hợp với điều kiện thực tế, chúng tơi hồn thành việc chế tạo máy thu VLF Tuy nhiên, việc chế tạo vừa hồn tất nên chúng tơi cần phải có nhiều thời gian thực nghiệm để đánh giá cải tiến máy thu cho đáp ứng yêu cầu thực tế BẢNG 6: GIÁ TRỊ ĐO TẠI CÁC ĐIỂM KIỂM TRA (F0=21,1KHZ) Tín hiệu đầu vào Preamp Preamp Chọn giá trị để kiểm tra FREQ- A FREQ- B Posamp Signal_detect Signal_strength Data output Tín hiệu từ mạch phát xung sin (mV) 10 600 10-8000 100 50 750 5000 5000 2500 1000 2500 320 2400 2400 1200 500 2500 Tín hiệu thu trực tiếp từ Anten (mV) 5-20 20-200 Thành công bước đầu này mở khả phát triển giáo dục nghiên cứu thời tiết không gian trường đại học cao đẳng Việt Nam động lực cho tự tin phát triển theo hướng chế tạo thiết bị phục vụ nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực khoa học công nghệ vũ trụ Việt Nam 50-400 20-400 100-3000 100-3000 500-1500 40-2000 -2500-+2500 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] So sánh tín hiệu thu trực tiếp từ hai loại anten chế tạo, nhận thấy độ nhạy anten khung trịn có vỏ bọc kim loại (Hình 3) lớn gấp lần so với độ nhạy anten khung vng (Hình 2) Kết so sánh trình bày Hình 26 a) [3] [4] b) [5] [6] [7] Hình 26: Tín hiệu điểm kiểm tra 1.Posamp-2.Signal detect sử dụng: a)anten khung trịn có vỏ kim loại; b) anten khung vng ISBN: 978-604-67-0349-5 KẾT LUẬN 342 http://solar-center.stanford.edu/SID/Anten_designs.html Lý thuyết kỹ thuật Anten, GS TSKH Phan Anh, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2007 Applications of Analog Integrated Circuits, Sidney Soclof, Prentice-hall series in Solid state physical electronics, Nick Holonyak, Jr., Editor MAXIM 4th- and 8th-Oder Continuous-Time Active Filters”, Rev3, 10/96 Giáo trình Cơ sở Viển Thơng, Phạm vặn Tấn, Bộ môn Viễn Thông & Kỹ Thuật Điều Khiển- Khoa CNTT & truyền ThôngĐại Học cần Thơ., 2007 http://www.solidfluid.co.uk/sfsite.php/0000030F http://solar-center.stanford.edu/ ... kế chế tạo mạch tách sóng điều biên Mỗi trạm phát sóng VLF ln phát tín hiệu có tần số biên độ cố định Tuy nhiên, tác dụng tầng điện ly tín hiệu thu trạm thu bị thay đổi pha biên độ Qua tầng điện. .. FREQ-B b) Biên độ Tín hiệu xung phát Tín hiệu đầu vào Tín hiệu đầu tầng Tín hiệu đầu tầng 5000 mV 10 mV 600 mV