HAUI-ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐTVT NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ADC LẤY MẪU TÍN HIỆU DẢI GỐC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ

HAUI-ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐTVT-NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ADC LẤY MẪU TÍN HIỆU DẢI GỐC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ Để hoàn thành đề tài đồ án này, lời đầu tiên em xin cảm ơn chân thành đến toàn thể thầy cô trong trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội và các thầy cô trong khoa Điện Tử những người đã tận tình hướng dẫn, dạy dỗ và trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong những năm vừa qua.Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Ngọc Anh đã hướng dẫn cho em những kiến thức, kỹ năng cơ bản cần có để hoàn thành đề tài nghiên cứu này.Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, cổ vũ và đóng góp ý kiến trong quá trình học tập, nghiên cứu.Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu đề tài, vì kiến thức còn hạn chế nên em vẫn còn nhiều thiếu sót khi tìm hiểu, đánh giá và trình bày về đề tài. Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của các thầy cô giảng viên bộ môn để đề tài của em được đầy đủ và hoàn chỉnh hơn.Em xin chân thành cảm ơn

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LẤY MẪU TÍN HIỆU DẢI GỐC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ GVHD Sinh viên : TS Nguyễn Ngọc Anh : Tăng Xuân Biên Mã số sinh viên: 2018606202 Hà Nội – Năm 2020 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài đồ án này, lời em xin cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội thầy cô khoa Điện Tử người tận tình hướng dẫn, dạy dỗ trang bị cho em kiến thức bổ ích năm vừa qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Ngọc Anh hướng dẫn cho em kiến thức, kỹ cần có để hồn thành đề tài nghiên cứu Sau em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè động viên, cổ vũ đóng góp ý kiến trình học tập, nghiên cứu Tuy nhiên trình nghiên cứu đề tài, kiến thức cịn hạn chế nên em cịn nhiều thiếu sót tìm hiểu, đánh giá trình bày đề tài Rất mong nhận quan tâm, góp ý thầy cô giảng viên môn để đề tài em đầy đủ hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! LỜI MỞ ĐẦU Xã hội ngày phát triển, khoa học kĩ thuật nói chung ngành Điện tử - Truyền thơng nói riêng ngày ứng dụng hầu hết lĩnh vực sống, mà đặc biệt hệ thông thơng tin số Hầu hết tín hiệu cần truyền qua hệ thống thơng tin số tín hiệu tương tự Lĩnh vực số hố tín hiệu tương tự nghiên cứu mạnh vài chục năm trở lại Sự nghiên cứu tạo nhiều kiểu biến đổi khác kiểu lại có nhiều biến thể Và chọn kiểu cụ thể phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng chất lượng truyền dẫn mà ta mong muốn đạt Từ đó, với nhu cầu sản xuất thực tế để góp phần làm sáng tỏ ứng dụng ngành Điện tử - Truyền thông em đưa đề tài “NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LẤY MẪU TÍN HIỆU DẢI GỐC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ.” Thực đề tài giúp em ứng dụng kĩ thuật công nghệ điện tử viễn thông áp dụng vào hệ thống thơng tin số, q trình chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Và giúp em phát triển thân, chứng minh khả hiểu biết kiến thức dậy từ thầy cô nhà trường để hồn thiện đề tài giúp ích cho xã hội Với đề tài này, báo cáo em gồm nội dung sau: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Kết nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Phương án thực Với giới hạn đề tài “nghiên cứu, mô hệ thống lấy mẫu tín hiệu dải gốc tín hiệu tương tự” vấn đề cần nghiên cứu là: Áp dụng kiến thức học môn học lớp như: “Truyền thơng số, Mơ hình hố mơ hệ thống điện tử - viễn thông, ” Các kĩ cần có thiết kế là: Kỹ phân tích mạch, kỹ tìm đọc tài liệu tiếng anh, kỹ tính tốn, chọn thơng số, kỹ sử dụng phần mềm mô mạch, đồng thời cần tìm hiểu số tài liệu khác Các kỹ kiến thức then chốt phải học chủ đề nghiên cứu: Kỹ lập kế hoạch làm việc, phân tích lựa chọn ý tưởng khả thi, kỹ phân tích mạch, mơ phỏng, hiệu chỉnh mạch Đối với kiến thức phải học kiến thức truyền thơnh số, kiến thức xử lý tín hiệu số, phần mềm mô 1.2 Phạm vi nghiên cứu Với giới hạn đề tài “Nghiên cứu, mơ hệ thống lấy mẫu tín hiệu dải gốc tín hiệu tương tự” vấn đề cần nghiên cứu là: - Định lý lấy mẫu -Quá trình lấy mẫu - Các biến dạng lấy mẫu thực tế - Mạch lấy mẫu 1.3 Ý nghĩa thực tế đề tài Trong thực tế, tín hiệu liên tục lấy mẫu cách sử dụng mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC), thiết bị không lý tưởng Điều dẫn đến xuất độ lệch q trình tái dựng lại tín hiệu so với thực tế lý thuyết, gọi chung méo Để làm rõ tìm hiểu thêm lĩnh vực số hố tín hiệu tương tự đặc biệt trình lấy mẫu Nên em chọn đề tài “nghiên cứu, mô hệ thống lấy mẫu tín hiệu dải gốc tín hiệu tương tự” ví dụ điển hình  CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu lấy mẫu tín hiệu Trong xử lý số tín hiệu lấy mẫu q trình rời rạc hố tín hiệu tương tự (analog signual) theo thời gian Nói cách khác, q trình khai triển tín hiệu tương tự thành tập hợp giá trị tức thời tín hiệu thời điểm định cách Khoảng cách hai thời điểm lấy mẫu tuân theo định lý lấy mẫu 2.2 Định lý lấy mẫu Nyquist - Shanon Định lý Định lý lấy mẫu Nyquist – Shanon định lý dung lĩnh vực truyền thông tin, đặc biệt viễn thông xử lý tín hiệu Lấy mẫu q trình chuyển đổi tín hiệu (ví dụ hàm liên tục theo không thời gian) thành chuỗi số (một hàm rời rạc theo khơng thời gian) Hình 2.1 Lấy mẫu tín hiệu Định lý: Một tín hiệu x(t) liên tục theo thời gian có phổ hạn chế hồn toàn xác định dãy giá trị tức thời lấy cách đoạn Trong đó: tần số cao tín hiệu cần lấy mẫu; chu kỳ lấy mẫu; tần số lấy mẫu; Suy = = khoảng thời gian dài (còn gọi khoảng Nyquist) hai thời điểm lấy mẫu lấy mẫu tín hiệu băng tần thấp có phổ hạn chế (băng thơng từ đến ), cho phép khơi phục lại tín hiệu ban dầu cách trung thực Trường hợp tín hiệu tương tự tín hiệu thơng dải có phổ từ đến tần số lấy mẫu chọn sau: Trong đó: n= int ( Về chất, định lý cho thấy tín hiệu tương tự (analog) có tần số giới hạn lấy mẫu có thể tái tạo hồn tồn từ chuỗi vô số mẫu tỷ lệ lấy mẫu lớn mẫu giây, Shannon cho tín hiệu có chứa thành phần có tần số xác , mẫu cách giây khơng khơi phục hồn tồn xác tín hiệu 2.3 Lý tưởng Ở tín hiệu xác định xác thời điểm lấy mẫu nT Trong tốn học, biểu diễn phép nhân hàm tín hiệu s(t) với hàm lược Dirac (hệ hàm delta Dirac): Hình 2.2 Dạng tín hiệu sau q trình lấy mẫu Tín hiệu sau lấy mẫu : =s(t) Phổ tần chuỗi Fourier tín hiệu : ] Phổ tần chứa đựng yếu tố hàm sinc Điều sai lệch tín hiệu phục hồi phải khắc phục lọc tái thiết (reconstruction filter) Tần số tỷ lệ lấy mẫu chặn tần số cao tương ứng với tín hiệu lấy mẫu Tần số (một nửa tỷ lệ lấy mẫu) gọi tần số Nyquist hệ thống lấy mẫu Có thể quan sát thấy tần số lớn tần số Nyquist tín hiệu lấy mẫu, tần số khơng rõ rang Một phần tín hiệu có tần số f phân biệt với thành phần khác có tần số N +f N – f với N số nguyên dương khác 0, không rõ ràng gọi hiệu ứng chồng phổ hay cưa Để xử lý vấn đề cách mịn tốt, hầu hết tín hiệu tương tự (anolog) lọc với số lọc chồng cưa (thương lọc thông thấp với tần số cắt tần số Nyquist) trước chuyển đổi để lấy mẫu 2.4 Các dạng biến thể thực tế Trong thực tế, tín hiệu liên tục lấy mẫu cách sử dụng mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC), thiết bị không lý tưởng Điều dẫn đến xuất độ lệch q trình tái dựng lại tín hiệu so với lý thuyết, gọi chung bị méo Các loại méo xảy ra, bao gồm: • Răng cưa hay tượng chồng phổ (aliasing): điều kiện tiên định lý lấy mẫu tín hiệu phải có giới hạn băng tần (bandlimited) Tuy nhiên, thực tế, khơng có tín hiệu thời gian vơ hạn mà có băng tần hữu hạn • Jitter: tượng xung đồng (xung điều khiển khoảng cách thời gian lấy mẫu) bị méo dạng bị sai lệch cách khơng đồng • Nhiễu: bao gồm nhiễu nhiệt nhiễu mạch analog… • Lỗi vận tốc tăng (Slew rate), gây giá trị ngõ thiết bị chuyển đổi ADC khơng thể thay đổi đủ nhanh • Lượng tử hố hệ độ xác hữu hạn từ đại diện cho giá trị chuyển đổi • Sai số mã hố hay sai số lượng tử (Quantization): lỗi xảy trình số hố giá trị tín hiệu mẫu Số bít mã hố lớn sai số lượng tử nhỏ 2.5 Giới thiệu khối hệ thống lấy mẫu 2.5.1 Khối Sine wave Hình 2.3 Ký hiệu khối Sine Wave Đầu sinewave: O(t) = Amp*Sin (Freq*t+Phase) + Bias Kiểu sin xác định kỹ thuật tính tốn sử dụng Các thơng số hai loại có liên quan với thơng qua: Samples per period = 2*pi / (Frequency * Sample time) Number of offset samples = Phase * Samples per period / (2*pi) Ở giá trị Sine type chọn kiểu sample-based cố số chạy thời gian lớn (ví dụ: tràn thời gian tuyệt đối) xảy Sine type: - Time based: Chế độ dựa theo thời gian - Sample based: Chế độ dựa lấy mẫu Time(t): - Use simulation time: Sử dụng thời gian mô - Use external signal: Sử dụng tín hiệu bên ngồi 2.5.2 Khối Add Hình 2.4 Ký hiệu khối add Khối có chức thêm bớt đầu vào 2.5.3 Khối product Hình 2.5 Ký hiệu khối product Simulink Nhân chia ma trận vô hướng không phương nhân đảo ma trận Khối Product xuất kết việc nhân hai đầu vào: hai đại lượng vô hướng, đại lượng vô hướng đại lượng không phương hướng hai phi phương vị có kích thước Các giá trị tham số mặc định định hành vi là: - Multiplication: Element-wise - Number of inputs: Chế độ Element-wise: khối product hoạt động chế độ Elementwise hoạt động phần tử số riêng lẻ đầu vào 10 Khối Product thực nhiều phép toán nhân, chia nghịch đảo số học 2.5.4 Khối sample and hold Hình 2.6 Ký hiệu cảu khối Sample and Hold Chức năng: Khối lấy mẫu giữ tín hiệu đầu vào Khối Sample and hold lấy đầu vào cổng tín hiệu nhận kiện kích hoạt cổng kích hoạt (được đánh dấu ) Sau đó, khối giữ đầu giá trị đầu vào thu kiện kích hoạt xảy Trigger type: - Rising edge: Đầu vào kích hoạt tăng từ giá trị âm lên giá trị dương - Falling edge: Đầu vào kích hoạt giảm từ giá trị dương xuống giá trị âm - Either edge: Đầu vào kích hoạt tăng từ giá trị âm lên giá trị dương giảm từ giá trị dương xuống giá trị âm 2.5.5 Khối Uniform Encoder Hình 2.7 Ký hiệu khối Uniform Encoder Chức khối: Lượng tử hóa mã hóa đầu vào dấu phẩy động thành đầu số nguyên Khối Uniform Encoder thực hai hoạt động sau mẫu dấu phẩy động vectơ ma trận đầu vào: - Định lượng giá trị cách sử dụng độ xác - Mã hóa giá trị dấu phẩy động lượng tử hóa thành giá trị số nguyên Các thông số: 11 - Peak: Biên độ đầu vào lớn mã hóa(V) Giá trị đầu vào thực ảo lớn (1-) V nhỏ -V bão hòa (độc lập đầu vào phức tạp) giới hạn - Bits: Chỉ định số bit (B), cần thiết để biểu diễn đầu số nguyên Số mức mà khối lượng tử hóa đầu vào dấu phẩy động 2B - Output data: Kiểu liệu đâu khối (Unsigned integer Signed integer) o Unsigned outputs: uint8, uint16, uint32 o Signed outputs: int8, int16, int32 2.5.6 Khối Uniform Decoder Hình 2.8 Ký hiệu khối Uniform Decoder Chức năng: Giải mã đầu vào số nguyên thành đầu dấu phẩy động Giải mã đồng đầu vào với giá trị Đỉnh âm dương Làm bão hòa bọc đầu vào vùng tràn Kiểu liệu đầu kép đơn Các thông số: - Peak: Chỉ định biên độ lớn thể đầu vào mã hóa Để giải mã xác giá trị mã hóa khối Bộ mã hóa đồng nhất, đặt thông số đỉnh hai khối thành giá trị - Bits: Chỉ định số lượng bit đầu vào (B) sử dụng để mã hóa liệu (Con số nhỏ tổng số bit cung cấp kiểu liệu đầu vào) Để giải mã xác giá trị mã hóa khối Uniform Decoder, đặt tham số Bits hai khối thành giá trị - Overflow mode: Chỉ định hành vi khối đầu vào số nguyên nằm phạm vi biểu diễn B bit Các đầu vào ngồi phạm vi bão hịa giá trị cực đoan quấn trở lại phạm vi - Output type: Chỉ định độ xác đầu dấu phẩy động, đơn kép 12 2.5.7 Khối Quantizer Hình 2.9 Ký hiệu khối Quantizer Tùy chọn đầu vào khoảng thời gian định Khối lượng tử hóa loại bỏ tín hiệu đầu vào cách sử dụng thuật tốn lượng tử hóa Khối sử dụng phương pháp làm tròn đến gần để ánh xạ giá trị tín hiệu thành giá trị lượng tử hóa đầu xác định khoảng lượng tử hóa Tín hiệu đầu vào mượt mà có dạng bậc thang sau lượng tử hóa Phương trình mơ tả tốn học phương pháp làm tròn đến gần nhất: y = q * round(u/q) Trong đó: y đầu lượng tử hóa u đầu vào q khoảng lượng tử hóa 13 CHƯƠNG KẾT QUẢ 3.1 Mô mạch kiểm thử mạch 3.1.1 Mơ Matlab Simulink Hình 3.10 Mơ hệ thống phần mềm matlab simulink 3.1.2 Thiết lập thơng số 14 Tạo sóng sin: - Sine wave: 2V, 500Hz (Biên độ 2V, tần số: 500Hz) - Sine wave: 1V, 1500Hz - Sine wave: 0.5V, 2500Hz - Sample time: 1/80000(s) Chọn chế độ: - Sine type: Time based (chế độ dựa thời gian) - Time: Use simulation time (Sử dụng thời gian mô phỏng) - Sample time: 1/80000 Hình 3.11 Thơng số khối Sine Wave Tạo thơng số cho khối Add với đầu vào Hình 3.12 Thông số khối ADD 15 -Pulse type: sample based -Time(s): use simulation time (Khối tạo xung đầu biến thời gian với thời gian mô phỏng.) -Giữ nguyên giá trị mặc định: amplitude (1), period (10), pulse width (5), phase delay (0) -Sample time: 1/80000 Hình 3.13 Thơng số khối Pulse Generator -Trigger type: Rising edge (Đầu vào kích hoạt tăng từ giá trị âm lên giá trị dương) -Initial condition: Hình 3.14 Thơng số khối Sample and Hold 16 - Multiplication: Element-wise - Number of inputs: - Chế độ Element-wise: khối product hoạt động chế độ Element-wise hoạt động phần tử số riêng lẻ đầu vào Hình Product 3.15 Thông số khối Chọn thông số: Peak: Bits: Output type: Unsigned integer Hình 3.16 Uniform Encoder Thơng số khối 17 Chọn thông số: Peak: Bits: Output type: Unsigned integer Overflow mode: Saturate Hình 3.17 Uniform Decoder Thơng số khối Quantization interval: 0.5 Hình3.18 Quantizer Thơng số khối 18 3.2 Kết mơ Hình 3.19 Kết mơ q trình lấy mẫu 19 KẾT QUẢ Trong q trình làm đề tài giúp em ơn lại vận dụng kiến thức tín hiệu số linh kiện khác, sử dụng kiến thức phần mềm proteus, Altium design để mô vẽ mạch Kết em hoàn thành sản phẩm “Mạch khuyếch đại Base chung sử dụng Transistor” Mạch chạy ổn định, độ khuếch đại lớn yêu cầu cầu đề tài độ khuyếch thực tế không đạt kết lý thuyết Khi đưa sản phẩm thực tế phát huy khả nhiều lĩnh vực, sản phẩm mạch khuyếch đại âm tần Cassete, Âm ly, khuyếch đại tín hiệu video Ti vi màu v.v Trong laptop mạch khuyếch đại sử dụng để khuyếch đại âm thanh… Đồng thời, khuyếch đại thay đổi hệ số khuyếch đại tùy vào mục đích sử dụng nên em tự tin sản phẩm phát huy khả nhiều lĩnh vực Song với khả vẽ mạch, dây hạn chế nên sản phẩm chưa đẹp, nhiều dăm dây Do lần đầu thiết kế làm mạch thực tế cộng với kiến thức chuyên ngành hạn chế nên phần cứng khơng đẹp ngồi thị trường, hàn linh kiện chưa đẹp Đây lần đầu thiết kế làm mạch thực tế kinh nghiệm chưa nhiều nên em thấy chưa hài lòng mặt thẩm mỹ Mạch phải in lại nhiều lần để tối ưu hóa mạch in Trong q trình nghiên cứu đề tài, kiến thức chun ngành cịn hạn chế nên em cịn nhiều thiếu sót tìm hiểu tính toán chọn giá trị linh kiện, nên độ khuyếch đại chưa lớn Mong thầy cô bạn bổ xung ý kiến Vì sản phẩm mẫu nên dừng lại hiển thị sóng đầu máy sóng oscilloscope Và mạch khuếch đại Base chúng sử dụng thực tế Mặc dù độ khuếch đại điện áp đầu mạch cịn khơng q lớn em thử nghiệm lắp cho mạch đầu vào tín hiệu nhạc từ điện thoại đầu loa Để hoàn thiện sản phẩm em mong nhận góp ý từ thầy cô, bạn bè 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO GIÁO TRÌNH THAM KHẢO [1] Lê Mạnh Long, Trần Xuân Phương, Nguyễn Ngọc Anh, giáo trình thực hành điện tử 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2014 [2] Mạch điện tử 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Phạm Quang Huy, PGD TS Trần Thu Hà (06/2017), Tự học Proteus hình ảnh, Nhà xuất niên [3] Giáo trình CAD điện tử WEBGSITE THAM KHẢO [4] https://banlinhkien.com [5] https://datasheetpdf.com 21 PHỤ LỤC