Báo cáo Thiết kế bộ khuếch đại lock - In dựa trên vi điều khiển DSPic

TRƯỜNG …………………. KHOA………………………. -----[\ [\ ----- BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Thiết kế bộ khuếch đại lock - in dựa trên vi điều khiển DSPic ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Tóm tắt Bản khóa luận tốt nghiệp gồm có ba phần riêng biệt trong đó phần một là lý thuyết bộ khuyếch đại lock-in tiếp theo là tổng quan chung cấu trúc vi điều khiển dsPic30F4011 và cuối cùng là phần thực nghiệm. Chương 1 về lý thuyết bộ khuyếch đại lock-in trước tiên ta sẽ tìm hiểu tại sao lại phải dùng bộ khuyếch đại lock-in trong đo lường tín hiệu nhỏ và khái niệm bộ khuyếch lock-in, tiếp theo là sơ đồ cấu tạo chung của một bộ khuyếch đại lock-in cổ điển. Cuối cùng là phần tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bộ khuyếch đại lock-in số và tương tự. Trong chương 2 về tổng quan cấu trúc của vi điều khiển dsPic30F4011 chúng ta sẽ tìm hiểu chung về họ vi điều khiển DsPic30F tiếp đó là đặc điểm chung của họ vi điều khiển dsPic30F4011. Cuối cùng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về cấu trúc của vi điều khiển dsPic30F4011. Phần còn lại của bản khóa luận sẽ là phần thực nghiệm, ở đây trình bày toàn bộ quá trình thiết kế bộ khuyếch đại lock-in gồm có phần cứng, phần mềm và kết quả thực nghiệm. Phần cứng có các khối riêng biệt, với mỗi khối có trình bày lý thuyết và cơ sở thiết kế. Còn phần mềm được trình bày dưới dạng sơ đồ khối của cấu trúc chương trình với các modul riêng biệt. Sau khi thiết kế được bộ khuyếch đại lock-in số, ta sẽ thử nghiệm một hệ đo cho cảm biến có nhân là bộ khuyếch đại lock- in vừa chế tạo. Cụ thể trong bản khóa luận sẽ thử nghiệm một hệ đo áp dụng cho cảm biến áp suất MPX2300D do công ty Motorola cung cấp. Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp MỤC LỤC Mở Đầu ............................................................................................................................ 1 Chương 1. Bộ Khuếch Đại Lock In ................................................................................ 2 1.1. Tổng quan về bộ khuyếch đại lock in ..................................................................... 2 1.1.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 2 1.1.2. Khái niệm “lock in amplifier” .......................................................................... 6 1.1.3. Cấu trúc chung của bộ khuyếch đại lock in ...................................................... 6 1.2. Bộ khuyếch đại lock in tương tự (Analog Lock-In Amplifiers) .............................. 7 1.3. Bộ khuyếch đại lock in số (Digital Lock-In Amplifiers) ........................................ 9 Chương 2. Vi Điều Khiển DsPic30F4011 ..................................................................... 11 2.1. Giới thiệu chung về họ vi điều khiển Dspic .......................................................... 11 2.2. Đặc điểm chung của vi điều khiển dsPic30F4011 ................................................. 11 2.2.1. Khối xử lý trung tâm CPU ............................................................................. 11 2.2.2. Bộ chuyển đổi tương tự số ADC .................................................................... 12 2.2.3. Các cổng vào ra I/O Port và các ngoại vi ....................................................... 12 2.2.4. Bộ xử lý tín hiệu số ........................................................................................ 12 2.2.5. Một số đặc điểm khác .................................................................................... 13 2.3. Cấu trúc của vi điều khiển dsPic30F4011 ............................................................. 13 2.3.1. Khối xử lý trung tâm CPU ............................................................................. 13 2.3.2. Khối tạo địa chỉ AGU .................................................................................... 17 2.3.2.1. Chế độ địa chỉ lệnh .................................................................................. 17 2.3.2.2. Chế độ đảo bit địa chỉ .............................................................................. 19 2.3.3. Tổ chức bộ nhớ và bộ nhớ chương trình ......................................................... 20 2.3.3.1. Không gian địa chỉ chương trình.............................................................. 20 2.3.3.2. Truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ chương trình sử dụng các lệnh bảng ............. 21 Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp 2.3.3.3. Truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ chương trình sử dụng không gian chương trình ..................................................................................................................... 21 2.3.4. Các cổng vào ra I/O Port ................................................................................ 23 2.3.5. Ngắt và cơ chế ngắt ........................................................................................ 25 2.3.6. Các bộ định thời ............................................................................................. 27 2.3.7. Bộ chuyển đổi tương tự số ADC .................................................................... 30 2.3.7.1. Bộ đệm kết quả biến đổi A/D .................................................................. 30 2.3.7.2. Các bước thực hiện biến đổi A/D ............................................................. 30 Chương 3. Thực Nghiệm .............................................................................................. 33 3.1. Phần Cứng ............................................................................................................ 33 3.1.1. Các khối nguồn .............................................................................................. 34 3.1.2. Khối các bộ lọc thông thấp ............................................................................. 35 3.1.3. Khối biến đổi DAC ........................................................................................ 36 3.1.3.1. Hoạt động của DAC và tính chất của nó .................................................. 36 3.1.3.2. Các tham số của bộ chuyển đổi DA ......................................................... 38 3.1.3.3. Các mạch DAC điển hình ........................................................................ 39 3.1.3.4. Ghép nối ADC với vi điều khiển ............................................................. 41 3.1.3.5. Bộ biến đổi DAC sử dụng trong khóa luận .............................................. 41 3.1.4. Khối khuyếch đại tín hiệu vào ........................................................................ 43 3.1.4.1. Tìm hiểu về một số mạch khuyếch đại thuật toán và tính chất của nó ...... 43 3.1.4.2. Bộ khuyếch đại sử dụng trong khóa luận (AD620) .................................. 47 3.1.5. Khối LCD ...................................................................................................... 48 3.1.6. Khối xử lý trung tâm ...................................................................................... 49 3.2. Phần Mềm ............................................................................................................ 49 3.3. Các kết quả thực nghiệm ...................................................................................... 51 Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp 3.3.1. Mạch khuyếch đại lock-in đã chế tạo và tín hiệu vào ra lock in ...................... 51 3.3.2.Thử nghiệm bộ khuyếch đại lock-in với cảm biến áp suất MPX2300D ........... 55 3.3.2.1. Cảm biến áp suất MPX2300D ................................................................. 55 3.3.2.2. Kết quả thí nghiệm .................................................................................. 56 Kết Luận ....................................................................................................................... 59 Phụ Lục ......................................................................................................................... 60 Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Bảng các ký hiệu, chữ viết tắt VĐK : Vi điều khiển ADC : Chuyển đổi tương tự số (Analog digital convert) DAC : Chuyển đổi số tương tự (Digital analog convert) KĐTT : Khuyếch đại thuật toán AC : Dòng điện xoay chiều DC : Dòng điện một chiều Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Mở Đầu Với sự phát triến mạnh hiện nay của việc ứng dụng các cảm biến thì việc thiết kế những hệ đo và khảo sát cảm biến là rất cần thiết, nó là một thiết bị không thể thiếu cho bất kỳ một phòng thí nghiệm nào. Một hệ đo nhạy và có chính xác cao còn được ứng dụng trong y học, đó chính là những máy xét nghiệm y sinh. Ngoài ra nó còn có ý nghĩa quan trọng tới nhiều ứng dụng cần độ chính xác cao trong khoa học kỹ thuật (ví dụ như: đo lường chính xác, robotic, ....) Nhiều cảm biến được thiết kế có lối ra điện áp rất nhỏ, chính vì vậy việc để phát hiện sự sai lệch và đo điện áp ra là rất khó khăn. Do đó ý tưởng thiết kế một hệ đo lường có độ nhạy cao cho những cảm biến này là rất quan trọng, và một trong những ý tưởng đó là hệ đo có sử dụng bộ khuyếch đại lock-in. Với nhân là một bộ khuyếch đại lock-in chúng ta sẽ có được một hệ đo sensor khá lý tưởng, nó có thể cung cấp những phép đo độ phân giải cao những tín hiệu một cách tương đối sạch với độ lớn và tần số riêng biệt. Việc thiết kế một hệ đo mà có nhân là bộ khuyếch đại lock-in cổ điển cũng khá phức tạp vì trong bộ khuyếch đại cần có các bộ trộn kênh và bộ lọc có độ chính xác cao. Ngoài ra trong bộ khuyếch đại lock-in tương tự thì ảnh hưởng từ việc trôi nhiệt và già hóa của các linh kiện sẽ gây ra sự sai số lớn cho hệ đo. Nhưng nếu ta thiết kế một bộ khuyếch đại lock-in số thì khả thi hơn nhiều. Với công nghệ số, một vi điều khiển có thể đảm nhiệm tốt vai trò là bộ bộ lọc và bộ trộn kênh có độ chính xác cao. Vì được số hóa nên sẽ không có hiện tượng trôi nhiệt và già hóa linh kiện gây sai số ảnh hưởng tới hệ đo.Chính vì vậy một bộ khuyếch đại lock-in số là lựa chọn thông minh nhất của người sử dụng. Và Trong khóa luận này em sẽ tìm hiểu thiết kế một bộ khuyếch đại lock-in số dựa trên vi điều khiển DsPic. Và từ đó hình thành nên một hệ đo đơn giản với nhân là bộ khuyếch đại lock-in số và sẽ thử nghiệm hệ đo với cảm biến áp suất MPX2300D của Motorola. Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 1 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Chương 1. Bộ Khuếch Đại Lock In 1.1. Tổng quan về bộ khuyếch đại lock in 1.1.1. Giới thiệu Trong rất nhiều ứng dụng để đo những tín hiệu AC rất bé có thể bé tới vài nanovolts người ta không thể sử dụng phép đo thông thường (sử dụng các máy đo vạn năng chẳng hạn). Đó chính là nguyên nhân ra đời của bộ khuyếch đại lock in (lock-in amplifier). Vậy tại sao ta lại không dễ dàng đo được những tín hiệu AC nhỏ (vài nanovolts)? Ta xét các ví dụ sau.[8] Ví dụ 1: Cho một tín hiệu sóng sine 10nV tần số 10kHz. Rõ ràng là sự khuyếch đại cần phải cho ra tín hiệu lớn hơn ồn. Một bộ khuếch đại tốt (low-noise) sẽ có mật độ ồn lối vào khoảng 5nV/sqrt(Hz). Nếu băng thông của bộ khuyếch đại là 100kHz và hệ số khuyếch đại là 1000 lần, chúng ta thu được ở lối ra: Tín hiệu lối ra: (10nV x 1000) = 10uV Tín hiệu nhiễu dải rộng: (5nV x 100KHz x 1000)=1,6mV Như vậy chúng ta không có nhiều cơ hội để đo tín hiệu này nếu chúng ta không chọn ra tần số chúng ta mong muốn.(Xem minh họa trên Hình 1.1) Ví dụ 2: Nếu ta lắp thêm một bộ lọc dải thông vào bộ khuyếch đại với Q=100 (một bộ lọc cực kỳ tốt – Q ở đây được xem là hệ số phẩm chất của bộ lọc) tâm thông là 10kHz, bất kỳ tín hiệu nào trong vùng 100Hz (10kHz/Q) xung quanh tâm cũng sẽ được phát hiện. Nhiễu trong trường hợp này sẽ là (5nV x 100Hz x 1000) = 50uV, và tín hiệu sẽ vẫn là 10uV. Nhiễu ở lối ra vẫn lớn hơn nhiều lần tín hiệu, và không thể tạo ra được một phép đo chính xác. Như vậy tăng hệ số khuếch đại không thể nào giúp tăng tỉ số tín hiệu trên ồn (S/N).(Xem minh họa trên Hình 1.2) Vậy muốn đo được tín hiệu, ta phải thiết kế một bộ lọc có hệ số Q lớn, nhưng việc này là rất khó và không khả thi.Tuy nhiên một bộ dò nhạy pha (Phase Sensitive Detector) có thể có Q lớn cỡ 10000. Nên ồn trong tín hiệu đã nêu ở 2 ví dụ trên chỉ còn là 10u. Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 2 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình 1.1. Nhiễu và tín hiệu[2] Hình 1.2. Ồn bị triệt tiêu sau khi qua bộ lọc thông thấp[2] Kỹ thuật dò nhạy pha (Phase-Sensitive Detection) : Có thể nói “Bộ dò nhạy pha - Phase Sensitive Detection (PSD)” là trái tim của bộ khuyếch đại lock in, nó được xem như là một bộ hoàn điệu hay bộ trộn. Máy dò tìm được vận hành bởi việc nhân lên hai tín hiệu cùng nhau. Phân tích sau đây chỉ ra tại sao nó cho ta những tín hiệu mong muốn. Hình 1.3 chỉ ra vị trí ở đầu bộ khuyếch đại lock in phát hiện ra một đường tín hiệu không tạp nhiễu (noise-free) hình sin. Xác định trong sơ đồ như “Signal In”. Thiết bị Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 3 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp được nuôi với nguồn tín hiệu tham chiếu (hay còn gọi là tín hiệu reference là dạng tín hiệu hình sin, được cài đặt sẵn). Hình 1.3.Tín hiệu, tín hiệu tham chiếu và tích của hai tín hiệu[15] Bộ dò nhạy pha được vận hành bởi việc nhân hai tín hiệu này và kết qủa là ta thu được tín hiệu Demodulator Output như trên hình. Từ đó ta thấy không có sự khác pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu reference. Demodulator output giữ dạng hình sin, nhưng tần số thì gấp 2 lần tần số của tín hiệu reference, mức trung bình là dương. Hình 1.4 cũng như hình 1.3 nhưng có sự dịch pha 900 của tín hiệu reference. Bây giờ Demodulator output vẫn là một sóng sin có tần số bằng hai lần tần số tín hiệu reference, nhưng mức trung bình thì bằng 0. Hình 1.4. Tín hiệu, tín hiệu tham chiếu dịch 90o và tích của hai tín hiệu[15] Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 4 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Từ đây ta có thể nhìn thấy mức trung bình là: - Tỉ lệ với tích số của tần số biên độ của tín hiệu vào và tín hiệu reference. - Liên quan tới góc pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu reference. Nó sẽ được đánh giá nếu biên độ tín hiệu reference được giữ tại một giá trị cố định và pha của tín hiệu reference được điều chỉnh để đảm bảo một chuyển dịch pha tương đối bằng zero. Sau đó có thể đo xác định được mức trung bình biên độ tín hiệu đầu vào. Mức trung bình tất nhiên là thành phần DC của lối ra được giải biến điệu (demodulator output). Để lấy được thành phân một chiều này rất đơn giản, ta chỉ cần cho tín hiệu qua bộ lọc thông thấp. Sau khi được lọc, tín hiệu DC được đo bằng phương pháp truyền thống (dùng vôn kế). Ở trên ta xét đến trường hợp tín hiệu vào là một tín hiệu sạch không có ồn. Nhưng trong những ứng dụng thực tế tín hiệu vào luôn đi kèm với ồn nhiễu. Ồn nhiễu này không có tần số cố định hoặc không có mối quan hệ pha cố định. Ồn này cũng được nhân lên với tín hiệu reference, nhưng không đưa ra bất kỳ mức thay đổi DC nào. Xét một tín hiệu vào có dạng hình sin, tín hiệu này không có ồn: Vin=Acos(ωt), ở đây ω=2πF, F là tần số tín hiệu vào. Trong bộ khuyếch đại lock in được cung cấp một tín hiệu reference có cùng tần số với tín hiệu vào có dạng sau: Vref = Bcos(ωt + θ), θ là độ lệch pha giữa 2 tín hiệu. Nếu ta nhân 2 tín hiệu này với nhau ta được : Vout = A cos (ωt) . B cos (ωt + θ) = AB cosωt (cos ωt cos θ - sin ωt sin θ) = AB(cos2ωt cos θ - cos ωt sin ωt sin θ) = AB((½ + ½cos 2ωt)cos θ - ½sin 2ωt sin θ) = ½AB((1+ cos 2ωt)cos θ - sin 2ωt sin θ) = ½AB(cos θ + cos 2ωt cos θ - sin 2ωt sin θ) = ½ABcos θ + ½AB(cos 2ωt cos θ - sin 2ωt sin θ) = ½ABcos θ + ½ABcos(2ωt + θ) Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 5 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Bây giờ nếu ta cho tín hiệu ra Vout qua bộ lọc thông thấp thì điều hiển nhiên là thành phần 2ωt sẽ bị loại bỏ. Vậy kết quả là ta chỉ còn lại tín hiệu DC (một chiều). Và điều đó dẫn tới Vout =½ABcosθ tỉ lệ với biên độ tín hiệu vào Vin. Thuật toán này cho ta một ý tưởng về việc biến một tín hiệu AC thành DC có giá trị bằng biên độ của AC ban đầu nhân với N lần. Trong những hoàn cảnh thực tế, tín hiệu đầu vào thường đi kèm với nhiễu ồn, nhưng nếu chúng ta cài đặt một bộ lọc thông thấp phù hợp ở đầu ra của tín hiệu thì mọi tín hiệu nhiễu với mối quan hệ pha khác nhau và vậy thì bất kỳ tần số khác nhau nào có thể bị loại bỏ ở tín hiệu cuối cùng. 1.1.2. Khái niệm “lock in amplifier” Bộ khuyếch đại lock in căn bản là thiết bị với khả năng kép. Nó có thể khôi phục những tín hiệu trong sự có mặt của nhiễu ồn. Nói một cách khác, nó có thể cung cấp những phép đo độ phân giải cao những tín hiệu một cách tương đối sạch với độ lớn và tần số riêng biệt. Tuy nhiên, những thiết bị hiện đại đưa ra nhiều hơn hai chức năng cơ bản trên. Ví dụ một bộ khuyếch đại lock in hiện đại có thể có những chức năng sau: - Thiết bị khôi phục tín hiệu AC - Đo pha - Đo tiếng ồn, nhiễu. - Vôn kế vector - Bộ phân tích phổ -..v.v......... Chính vì tính linh hoạt này mà nó có ý nghĩa rất quan trọng trong bất kỳ một phòng thí nghiệm nào. 1.1.3. Cấu trúc chung của bộ khuyếch đại lock in Bộ khuyếch đại lock-in gồm có các thành phần chính là : bộ khuyếch đại tín hiệu vào và ra, bộ lọc thông dải (bandpass filter), bộ trộn (mixer), bộ lọc thông thấp (lowpass filter) và bộ phát tín hiệu reference.(Hình 1.5) Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 6 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình 1.5. Sơ đồ bộ khuyếch đại lock in [15] Có hai cách thực thi sơ đồ trên. Trong phương pháp cổ điển tất cả các chức năng của bộ lock-in đều được thực hiện bằng kỹ thuật analog (tương tự). Nhưng cũng có một phương pháp khác có thể thực thi sơ đồ trên, đó là phương pháp dựa trên kỹ thuật số (digital). Chính vì vậy có hai cách chế tạo bộ khuyếch đại lock-in : bộ khuyếch đại lock-in tương tự và bộ khuyếch đại lock-in số sẽ được trình bày dưới đây. 1.2. Bộ khuyếch đại lock in tương tự (Analog Lock-In Amplifiers) Sơ đồ khối của một bộ khuyếch đại lock in cổ điển hay bộ khuyếch đại lock-in tương tự được chỉ ra trên Hình 1.6. Hệ thống gồm có một máy khuyếch đại để tăng tín hiệu đầu vào cần đo đến một mức thích hợp cho các thao tác sau. Một bộ lọc thông dải được dùng để loại bỏ bất kỳ thành phần tín hiệu nào hoặc tại mức DC hoặc tại những hòa âm của tín hiệu được đo. Tiếp đến là một máy dò nhạy pha (Phase Sensitive Detector), còn được gọi là một bộ hoàn điệu(giải biến điệu) đồng bộ (synchronous demodulator ) hoặc bộ trộn (mixer). Mạch này có thể có nhiều dạng, từ bộ khuyếch đại logarit đến các bộ nhân four – quadrant. Tín hiệu vào được nhân với một tín hiệu reference được đưa ra từ hệ thống đang được đo. Tín hiệu reference cần có một một tương quan pha cố định với tín hiệu vào. Vì vậy bộ khuyếch đại lock-in phát ra một sóng sin reference nội tại của chính nó nhờ một vòng khóa pha (phase-locked-loop) khóa vào tín hiệu reference của tín hiệu. Trong quá trình xử lý tín hiệu tiếp theo ta, thường dùng chức năng kênh kép. Trong trường hợp này tín hiệu vào được trộn đều với tín hiệu reference, và ngoài ra tín hiệu này cũng được trộn với tín hiệu reference sau khi đã được dịch pha 900. Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 7 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ khuyếch đại lock-in tương tự[8] Chức năng kênh kép này có tác dụng lớn tới sự tính toán độ lớn của tín hiệu vào và mối tương quan pha của nó với tín hiệu reference. Hai kênh riêng biệt này thường được gọi là thành phần cùng pha (In-Phase component) và thành phần vuông pha (Quadrature compon