Để đảm bảo tính chính xác trong mô hình đo đạc, trƣớc khi thực hiện các phép đo, cần phải thực hiện hiệu chỉnh các thông số của cáp nối cũng nhƣ các connector dùng để gắn các anten với các cổng máy phân tích mạng. Các khâu kiểm tra giá trị hiệu chỉnh cũng nhƣ chuyển đổi qua lại giữa các chế độ đo đạc (S11 và S12) đƣợc thực hiện một cách tự động trên phần mềm điều khiển hệ thống.
AUT
Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán thực hiện một phép đo anten.
Bắt đầu
Hiệu chỉnh một cổng của máy phân tích mạng ứng với cáp và connector ghép nối với AUT
Gắn AUT với cổng đã hiệu chỉnh và đo hệ số S11 để xác định các tham số: Trở kháng vào, băng tần
Nhập giá trị tần số trong băng tần của AUT để đo giản đồ phƣơng hƣớng
Hiệu chỉnh hai cổng của máy phân tích mạng ứng với cáp và connector ghép nối với AUT và anten phát
Gắn AUT và anten phát với hai cổng đã hiệu chỉnh. Gắn AUT trên bộ điều khiển quay. Đặt hƣớng của AUT và anten phát phù hợp với mặt phẳng cần đo. Đặt góc quay bằng 0
Quay AUT một góc. Xác định giá trị S12 và biểu diễn trên giản đồ. Tăng giá trị góc
Góc quay = 36000
Lƣu lại dƣới dạng mặt phẳng E hoặc H
3.2. Xây dựng hệ thống.
3.2.1. Bộ định vị anten.
Bộ định vị anten đƣợc xây dựng từ một motor bƣớc cùng với mạch điều khiển đƣợc kết nối với máy tính thông qua cổng song song LPT.
3.2.1.1. Motor bước.
Nguyên lý của motor bƣớc rất đơn giản, ở đó, từ thông biến đổi qua cuộn dây sẽ sinh ra lực từ làm quay trục của motor. Motor bƣớc thực hiện việc chuyển các xung điện thành bƣớc dịch chuyển rời rạc. Chiều quay và góc quay của motor bƣớc có quan hệ mật thiết với các xung điện đặt vào. Tốc độ của motor có quan hệ với tần số của các xung điện và góc quay phụ thuộc vào số xung đặt vào.
Tốc độ của motor bƣớc không phụ thuộc vào tải, đó là một đặc tính rất quý trong việc sử dụng chúng cho các hệ thống đo lƣờng anten, khi mà trọng lƣợng của các AUT cùng với bộ phận điều khiển quay khác có thể rất lớn. Khi ấy, góc quay của bộ định vị cũng nhƣ các kết quả đo đạc đƣợc là có thể tin cậy.
Hình 3.4 chỉ ra mặt cắt ngang của rotor và stator trong một motor bƣớc. Từ hình vẽ này ta có thể thấy rằng stator có 4 cực, rotor có 6 cực (ba mẩu nam châm). Rotor sẽ cần có 12 xung điện để chạy 12 bƣớc trong một vòng. Nói cách khác, rotor sẽ dịch chuyển đúng300với mỗi xung điện đặt vào. Số độ quay có thể tính đƣợc bằng cách chia số độ trong một vòng quay (3600) cho số cực (nam và bắc) của rotor (12).
Khi không có dòng điện chạy qua, từ trƣờng tích luỹ trong nam châm của rotor sẽ làm cho các cực của nó thẳng góc với các cực của một trong các nam châm của stator. Khi ấy, lực từ này đủ để giữ cho trục của nam châm không bị quay đi.
Hình 3.4. Sơ đồ vị trí rotor 6 cực và stator 4 cực của một motor bước thông thường. của một motor bước thông thường.
N S N N N S S S 2B 1A 2A 1B
Hình 3.5. Chuyển động của rotor khi xung điện đặt vào stator
a) Dòng đặt vào cuộn trên và dưới, khi đó cuộn dây phía trên là cực bắc b) Dòng đặt vào cuộn trái và phải, khi đó cuộn dây bên trái là cực bắc c) Dòng đặt vào cuộn trên và dưới, khi đó cuộn dây bên dưới là cực bắc d) Dòng đặt vào cuộn trái và phải, khi đó cuộn dây bên phải là cực bắc
Khi dòng điện chạy qua, nó sẽ kích hoạt một trong hai cặp cuộn dây của stator, biến cặp dây đó thành một nam châm. Khi đó một cuộn dây của cặp sẽ là cực bắc và nó sẽ hút cực ngƣợc dấu gần nhất của rotor, tƣơng tự nhƣ vậy với cuộn dây kia. Bằng cách thay đổi dòng điện tới cuộn dây tiếp theo của stator, từ trƣờng sẽ thay đổi 900. Rotor sẽ chỉ di chuyển 300vì từ trƣờng của nó sẽ lại thẳng góc với trƣờng đã thay đổi trong stator. Từ trƣờng trong cuộn stator thay đổi liên tục khi rotor dịch chuyển 12 bƣớc và đạt đƣợc góc quay tổng cộng 3600. Hình 3.5 thể hiện sự thay đổi vị trí của rotor khi dòng điện đặt vào stator thay đổi.
Trong hình 3.5a, ta có thể thấy rằng khi dòng đặt vào cuộn trên và dƣới của stator thì chúng sẽ trở thành một nam châm với cuộn dây ở trên là cực bắc và cuộn dây phía dƣới là cực nam. N S N N N S S S N N N S N S S S N N N S N S S S N N N S N S S S (a) (b) (c) (d)
Các mode điều khiển motor bƣớc bao gồm: 1 pha, 2 pha, 1-2 pha và vi bƣớc Trong mode điều khiển 1 pha, chỉ có một cuộn dây đƣợc tích trữ năng lƣợng tại một thời điểm. Stator sẽ đƣợc cấp điện theo thứ tự A -> B -> A -> B và rotor sẽ quay theo các vị trí 8 -> 2 -> 4 -> 6.
Bảng 3.1. Sơ đồ kích thích pha trong các chế độ của motor bƣớc.
Trong mode hai pha, ta kích thích hai pha cùng lúc. Stator đƣợc kích thích theo thứ tự AB → AB → AB → AB và rotor sẽ quay thep thứ tự 1 ->3 ->5 -> 7. Mode điều khiển 1- 2 pha kết hợp cả hai mode nói trên. Trong đó stator đƣợc kích tích theo thứ tự AB → B →
AB → A → AB → B → AB → A và rotor quay theo thứ tự 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 ->6 -> 7 -> 8. Kết quả là góc quay bằng một nửa góc quay trong hai mode 1- và 2- pha.
Trong mode vi bƣớc, dòng trong các cuộn dây biến đổi liên tục, do đó một bƣớc thông thƣờng sẽ đƣợc chia thành nhiều bƣớc rời rạc có góc quay nhỏ hơn.
3.2.1.2. Điều khiển bộ định vị với cổng song song.
Một cổng giao tiếp là tập hợp các tín hiệu mà CPU gửi và nhận dữ liệu với các thiết bị. Ta sử dụng các cổng để giao tiếp với modem, máy in, bàn phím, chuột… Một cổng song song có thể gửi 8 bit và nhận 5 bit cùng một lúc trong khi đó cổng nối tiếp RS- 232 chỉ gửi và nhận đƣợc 1 bit tại một thời điểm.
Hình 3.7. Cấu hình cổng song song
a) Các cổng dữ liệu:
Các cổng dữ liệu đƣợc xác định từ D0 to D7.
b) Các cổng trạng thái
Các cổng này đƣợc dùng để đọc các tín hiệu. Trên sơ đồ chúng nằm từ S0-S7. Cổng S0 đƣợc dùng làm cờ hiệu trong chế độ EPP (Enhanced Parallel Port). Địa chỉ của cổng trạng thái là 0x379. Nó thƣờng đƣợc xác định bằng "DATA+1". Vậy vấn đề đặt ra là làm thế nào để xác định cổng dữ liệu, tất nhiên là rất đơn giản: mỗi cổng đều có một địa chỉ.Trong Windows 2000, ta có thể vào phần Settings > Control Panel > System > Hardware > Device Manager > Ports (COM & LPT) > Printer Port(LPT1) > Properties = in Resources > Resource Setting để xác định địa chỉ của cổng song song. Dải địa chỉ thƣờng đƣợc sử dụng là 0378-037F. Đây là giá trị biểu diễn ở cơ số 16. Thực chất địa chỉ cổng song song ở cơ số 10 là 888. Ý nghĩa các bit trạng thái đƣợc xác định nhƣ sau:
• S0: Trạng thái hoạt động ở mode EPP.
• S2: Không sử dụng, tuy nhiên đôi khi dùng để thể hiện điều kiện ngắt của cổng (PIRQ).
• S3: Bit xác định lỗi (nFault).
• S4: Bít chọn, xác định đƣờng dữ liệu đang kích hoạt (Select).
• S5: Dùng cho máy in, xác định trạng thái hết giấy của máy (inPaperEnd, PaperEmpty hay PError).
• S6: Báo hiệu đã nhận một byte dữ liệu (nAck hay nAcknowledge).
• S7: Nếu máy in bận và không thể nhận tiếp dữ liệu thì bit này sẽ ở trạng thái thấp (Busy).
c) Các bit điều khiển:
Các bit này đƣợc dùng để điều khiển các hoạt động của cổng song song. Trên sơ đồ các bit này có giá trị từ C0 đến. Địa chỉ cổng điều khiển là 0x37A.
• C0: Đƣợc dùng để gửi lệnh đọc các bit D0-D7 (nStrobe).
• C1: Gửi lệnh tới máy in để in dòng tiếp theo (Auto LF ).
• C2: Reset máy in và xoá bộ đệm (Init, nInitialize).
• C3: Chọn đƣờng dữ liệu vào (nSelectIn).
• C4: Ngắt máy in.
• C5: Đặt hƣớng điều khiển.
• C6: Không sử dụng.
• C7: Không sử dụng.
d) Các bit nối đất:
Đó là các chân từ 18 đến 25 của cổng song song. Chúng đƣợc dùng làm chân đất cho bảng mạch.
Bảng 3.2. Sơ đồ chân cổng song song
Tín hiệu Bit Chân Hƣớng
-Strobe -C0 1 Output
+Data Bit 0 D0 2 Output
+Data Bit 1 D1 3 Output
+Data Bit 2 D2 4 Output
+Data Bit 3 D3 5 Output
+Data Bit 4 D4 6 Output
+Data Bit 5 D5 7 Output
+Data Bit 6 D6 8 Output
+Data Bit 7 D7 9 Output
-Acknowledge S6 10 Input
+Busy -S7 11 Input
+Paper End S5 12 Input
+Select In S4 13 Input
-Auto Feed -C1 14 Output
-Error S3 15 Input
-Initialize C2 16 Output
-Select -C3 17 Output
Mạch điều khiển motor bƣớc của bộ định vị sử dụng IC ULN2803, đó là vi mạch điều khiển kiểu Darlington với dòng ra cực đại 500mA và điện áp cực đại 50V. Cổng song song đƣợc gắn với bo mạch chủ của hệ thống, do đó dòng phản hồi trở lại có thể phá hỏng cống song song và thậm chí cả bo mạch chủ. Để khắc phục hiện tƣợng này ta sử dụng bộ ghép nối quang 4N35 với sơ đồ nguyên lý đƣợc cho ở hình dƣới.
Hình 3.8. Bộ ghép nối quang 4N35 3.2.2. Thu thập dữ liệu trong hệ thống đo lường. 3.2.2. Thu thập dữ liệu trong hệ thống đo lường.
3.2.2.1. Sử dụng máy phân tích mạng trong các hệ thống đo lường siêu cao tần.
Máy phân tích mạng là thiết bị đƣợc sử dụng rất nhiều trong các hệ thống đo lƣờng siêu cao tần. Nó có thể đƣợc dùng để kiểm tra các thiết bị nhƣ bộ lọc, bộ suy giảm, bộ ghép tín hiệu, bộ khuếch đại, bộ trộn tín hiệu và nhiều thiết bị cũng nhƣ hệ thống siêu cao tần khác. Ở đó, đặc tính của một thiết bị, một bo mạch hay một hệ thống đƣợc xác định bằng cách so sánh tín hiệu lối ra của thiết bị với tín hiệu đặt vào thiết bị đó.
H
Hình 3.10. Đo lường các đặc tính thiết bị
Hình 3.11. Lưu đồ hệ thống đo lường thiết bị siêu cao tần
DUT là thiết bị cần đo (Device Under Test)
Máy thu R Máy thu A Máy thu B
Cổng 1 Cổng 2 Nguồn
Lối vào Lối ra
Thiết bị điện tử Tia tới Tia phản xạ Máy phân tích mạng Tia tới Tia phản xạ
Tia truyền qua
Nguồn
Tia tới (R)
Tia phản xạ (A)
Tia truyền qua (B) Máy thu/ Máy dò
Từ việc xác định tỉ số tín hiệu truyền qua / tín hiệu tới (B/R) và tỉ số tín hiệu phản xạ / tín hiệu tới (A/R) ta có thể xác định đƣợc các tham số của đƣờng truyền siêu cao tần tƣơng ứng. Bảng 3.3 sẽ minh hoạ điều này.
Bảng 3.3. Các tham số của thiết bị
Các tham số truyền qua Các tham số phản xạ
Hệ số truyền: T và τ Tăng ích và tổn hao hấp thụ Các tham số A S12 và S21 Pha hấp thụ Trễ nhóm Hệ số phản xạ: Γ và ρ Tổn hao phản xạ Các tham số A S11 và S22 Trở kháng Z (R + jX) Dẫn nạp Y (G + jB) Hệ số sóng đứng
Các kết quả đo đƣợc trên dải tần số cho trƣớc có thể đƣợc biểu diễn trên hệ trục toạ độ Decarte, hệ tọa độ cực hay trên giản đồ Smith, tùy theo yêu cầu cụ thể.
Hệ toạ độ Decarte Hệ toạ độ cực Giản đồ Smith
Hình 3.12. Các cách biểu diễn tham số mạng
Một tham số rất hay đƣợc sử dụng trong kỹ thuật siêu cao tần để xác định các đặc tính của các thiết bị cũng nhƣ các hệ thống, đó chính là các tham số S của ma trận tán xạ. Có thể nói rằng, các tham số S là công cụ hiệu quả nhất để mô tả đặc tính của các thiết bị ở tấn số siêu cao [4].
Trong việc đo lƣờng các đặc tính bức xạ của một anten, ta sử dụng hai tham số cơ bản của ma trận tán xạ là S11 và S12, ở đó AUT đƣợc gắn vào cổng 1 và anten phát
chuẩn đƣợc gắn vào cổng 2 của máy phân tích mạng. Để đảm bảo tính chính xác của hệ thống, trƣớc khi thực hiện phép đo, ta phải tiến hành quá trình hiệu chỉnh các tham số cáp nối và connector kết nối giữa các anten với các cổng của máy phân tích mạng.
Các tham số S có thể đƣợc xác định nhƣ hình vẽ sau:
a) Mô hình tín hiệu
S21
Số thứ nhất: Số thứ hai:
Cổng mà tín hiệu truyền tới Cổng mà tín hiệu đặt vào
b) Cách biểu diễn tham số S
c) Cách xác định tham số S
Hình 3.13. Cách xác định tham số S của thiết bị.
Cổng 1 Cổng 2
Tín hiệu truyền qua
Tín hiệu phản xạ Tín hiệu tới
Tín hiệu phản xạ
Tín hiệu truyền qua Tín hiệu tới
Việc hiệu chỉnh các tham số này đƣợc thực hiện nhờ một bộ hiệu chuẩn đi kèm với máy phân tích mạng.
Hình 3.14. Bộ hiệu chuẩn cho phép chuẩn các tham số ghép nối. 3.2.2.2. Giao tiếp GPIB. 3.2.2.2. Giao tiếp GPIB.
Giao tiếp GPIB (General Purpose Interface Bus) đƣợc xác định trong ANSI/IEEE Standard 488.1-1987 là giao tiếp giữa các thiết bị và các bộ điều khiển từ nhiều nhà cung cấp khác nhau. GPIB là giao tiếp số 8-bit song song, với tốc độ 1MBps hoặc cao hơn, sử dụng 3 dây tín hiệu bắt tay. Bus dữ liệu này hỗ trợ một bộ điều khiển hệ thống (thƣờng là một máy tính) với tối đa 14 thiết bị. Chuẩn ANSI/IEEE Standard 488.2-1992 đã mở rộng IEEE 488.1 bằng cách xác định một bus giao tiếp, một tập mã dữ liệu và định dạng cũng nhƣ tập lệnh điều khiển thiết bị [8], [9].
Hình 3.15. Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng bus GPIB
System
Controller (PC) Thiết bị Thiết bị Thiết bị
Gửi, nhận và điều khiển dòng dữ liệu (Talkers, Listeners và Controllers).
Các thiết bị GPIB đƣợc chia thành các thiết bị gửi, nhận và điều khiển. Thiết bị gửi thực hiện việc gửi dữ liệu, thiết bị nhận sẽ nhận dữ liệu đƣợc gửi từ thiết bị gửi và thiết bị điều khiển có nhiệm vụ điều khiển dòng dữ liệu trên bus. Nó xác định các liên kết và gửi các lệnh GPIB tới các thiết bị.
Một số thiết bị có thể giữ nhiều vai trò. Ví dụ một máy đo vôn kế có thể là thiết bị gửi hay thiết bị nhận. Nếu hệ thống có giao diện National Instrument GPIB và phần mềm tƣơng ứng thì nó có thể hoạt động nhƣ một thiết bị gửi, thiết bị nhận hay thiết bị điều khiển.
Hình 3.16. Mô hình giao tiếp các thiết bị GPIB theo phân cấp chức năng (ANSI/IEEE Standard 488.2-1992 ) (ANSI/IEEE Standard 488.2-1992 )
Cách đánh địa chỉ GPIB.
Mọi thiết bị GPIB và các giao diện đều có một địa chỉ GPIB duy nhất. Một địa chỉ GPIB bao gồm hai phần: địa chỉ cơ cấp và địa chỉ thứ cấp.
Địa chỉ sơ cấp là một số từ 0 đến 30. Thiết bị điều khiển sử dụng địa chỉ này để tạo thành một địa chỉ gửi hay địa chỉ nhận rồi gửi qua bus GPIB tới các thiết bị cần giao tiếp.
Địa chỉ gửi đƣợc tạo thành bằng cách đặt bit 6 (bit TA – Talk Active) trong địa chỉ GPIB. Địa chỉ nhận đƣợc tạo thành bằng cách đặt bit 5 (bit LA – Listen Active) trong địa chỉ GPIB. Ví dụ, nếu một thiết bị có địa chỉ 1, thiết bị điều khiển sẽ gửi số hexa 41(địa chỉ 1 với bit 6 đƣợc đặt) để tạo thành địa chỉ thiết bị nhận. Vì thiết bị điều khiển thƣờng có