ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
Tóm t
t
B n khóa lu n t t nghi p g m có ba ph n riêng bi t trong dó
ph
n m t là lý thuy t
b khuy ch d i lock-in ti p theo là t ng quan chung c u trúc vi di u khi n
dsPic30F4011
và
cu
i cùng là ph n th c nghi m. Chuong 1 v
lý thuy t b khuy ch d i lock-i
n
tru
c
tiên
ta s
t
ìm hi
u t i sao l i ph i d
ùng b
khuy ch d i lock-
dsPic30F4011
.
Ph
n còn l i c a b n khóa lu n s là ph n th c
nghi
m, dây trình bày toàn b quá trình thi t k b khuy ch d i lock-in g m có ph n
c ng, ph n m m và k t qu th c nghi m. Ph n c ng có các kh i riêng bi t, v i m i kh i
có
trình bày lý thuy t và co s thi t k . Còn ph n m m
du
c trình bày du i d ng so d
kh
i c a c u trúc chu
ong tr
ình
v
i các modul ri
êng bi
t.
Sau khi thi
t k du c b khuy ch
d i lock-in s , ta s
th
nghi m m t h do cho c m bi n có nhân là b khuy ch d i lock-
in v
a ch t o
. C
th trong b n khóa lu n s th nghi m m t h do
áp
d ng cho c m bi n
1.1.3. C
u trúc chung c a b khuy ch d i lock in
.......................................................
6
1.2. B
khuy ch d i lock in t
uong t
(Analog Lock-
In Amplifiers)
..............................
7
1.3. B
khuy ch d i lock in s (Digital Lock-
In Amplifiers)
.........................................
9
Chuong 2. Vi Ði
u Khi n DsPic30F4011
.......................................................................
11
2.1. Gi
i thi u chung v h vi di u khi n Dspic
............................................................
11
2.2. Ð
c di m chung c a vi di u khi n dsPic30F4011
..................................................
11
2.3. C
u trúc c a vi di u khi n dsPic30F4011
...............................................................
13
2.3.1. Kh
i
x
lý trung tâm CPU
...............................................................................
13
2.3.2. Kh
i t o d a ch AGU
.......................................................................................
17
2.3.2.1. Ch
d d a ch l nh
....................................................................................
17
2.3.2.2. Ch
d d o bit d a ch
................................................................................
19
2.3.3. T
ch c b nh v
à b
t d li u t b nh ch
uong tr
ình s d ng không gian ch
uong
trình
.........................................................................................................................
21
2.3.4. Các c
ng v
ào ra I/O Port
..................................................................................
23
2.3.5. Ng
t v
à co ch
ng t
..........................................................................................
25
2.3.6. Các b
d nh th i
...............................................................................................
27
2.3.7. B
chuy n d i t
uong t
s ADC
3.1.2. Kh
i các b l c thông th p
...............................................................................
35
3.1.3. Kh
i bi n d i DAC
...........................................................................................
36
3.1.3.1. Ho
t d ng c a DAC v
à tính ch
t c a nó
...................................................
36
3.1.3.2. Các tham s
c a b chuy n d i DA
..........................................................
38
3.1.3.3. Các m
ch DAC di n h
ình
..........................................................................
39
3.1.3.4. Ghép n
i ADC v i vi di u khi n
i x lý trung tâm
........................................................................................
49
3.2. Ph
n M m
...............................................................................................................
49
3.3. Các k
t qu th c nghi m
.........................................................................................
51
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
3.3.1. M
ch khuy ch d i lock-
in d
ã ch
t
o v
à tín hi
u v
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
B ng các ký hi u, ch vi t t t
VÐK
:
Vi di
u khi n
ADC
:
Chuy
n d i t
uong t
s (Analog digital convert)
DAC
:
Chuy
n d i s t
uong t
(Digital analog convert)
KÐTT
:
Khuy
ng h do và kh o sát c m bi n là r t c n thi t, nó là m t thi t b không th thi u cho
b t k m t phòng thí nghi m nào. M t h do nh y v
à
có
chính xác
cao
còn
du
c ng
d ng trong y h c, dó chính là nh ng máy xét nghi m y sinh. Ngoài ra nó còn có ý ngh
ia
quan tr ng t i nhi u ng d ng c n d chính xác cao trong khoa h c k thu t (ví d nh
u:
do lu
ng chính xác, robotic, ....)
Nhi
u c m bi n du c thi t k có l i ra di n áp r t nh , chính vì v y vi c d phát
hi
n s sai l ch và do di n áp ra là r t khó khan. Do dó ý tu ng thi t k m t h do lu ng
có d
nh y cao cho nh ng c m bi n
này là r
t quan tr ng, v
à m
t trong nh ng ý tu ng dó
là
h do có s d ng b khuy ch d i lock-in. V i nhân là m t b khuy ch d i lock-
in
chúng ta s có du c m t h do sensor khá lý tu ng, nó có th cung c p nh ng phép do d
phân gi
c s hóa nên s không
có hi n tu ng trôi nhi t và già hóa linh ki n gây sai s nh hu ng t i h do.Chính vì v y
m t b khuy ch d i lock-
in s
l
à
l a ch n thông minh nh t c a ngu i s d ng.
Và T
rong
khóa lu n này em s tìm hi u thi t k m t b khuy ch d i lock-
in
s d a
trên vi di u khi n D
sPic
.
Và t dó hình thành nên m t h do don gi n v i nhân là b
khuy ch d i lock-in s và s th nghi m h do v i c m bi n áp su t MPX2300D c a
Motorola.
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
2
Chuong 1.
xét các ví d
sau.[8]
Ví d 1:
Cho m t tín hi u sóng sine 10nV t n s 10kHz. Rõ ràng là s khuy ch d i
c n ph i cho ra tín hi u l n h
on
n. M t b khu ch d i t t (low-
noise) s
có m t d n l i
vào k
ho
ng 5nV/sqrt(Hz). N u bang thông c a b khuy ch d i là 100kHz và h s
khuy ch d i l
à 1000 l
n, chúng ta thu du c l i ra:
Tín hi
u l i ra:
(10nV
x
1000) = 10uV
Tín hi
u nhi u d i r ng:
(5nV
x
KHz
100
x
x 1000) = 50uV, và tín hi u s v n l
à
10uV. Nhi u l i ra v n l n hon nhi u l n tín hi u, và không th t o ra du c m t phép
do chính xác. Nhu v y tang h s khu ch d i không th nào giúp tang t s tín hi u tr
ên
n (S/N).
(Xem minh h
a tr
ên Hình 1.2)
V y mu n do du c tín hi u, ta ph i thi t k m t b l c có h s Q l n, nhung vi c
này là r t khó và không kh thi.Tuy nhiên m t b dò nh y pha (Phase Sensitive Detector)
có th
có Q l n c 10000. N
ên
n trong tín hi u d
ã nêu
2 ví d tr
ên ch
c
òn là 10u.
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
nh
ng tín hi u
mong mu
n.
Hình 1.3 ch ra v trí d u b khuy ch d i lock in phát hi n ra m t du ng tín hi u
không t p nhi u (noise-free) hình sin. Xác d nh trong so d nhu “Signal In”. Thi t b
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
4
du
c nuôi v i ngu n tín hi u tham chi u (hay còn g i là tín hi u reference là d ng tín
hi
u h
ình sin,
du
c c
ài d
t s n).
Hình 1.3.
Tín hi
u, tín hi u tham chi u v
à tích c
c trung b
ình thì b
ng 0.
Hình 1.4.
Tín h
i u, tín hi u tham chi u d ch 90
o
và tích c
a hai tín hi u[1
5]
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
5
T dây ta có th nh
ìn th
y m c trung b
ình là:
- T l v i tích s c a t n s bi
ên d
có t
n s c d nh ho c không có m i quan h pha c d nh. n n
ày c
ung d
u
c nhân lên v
i
tín hi
u reference, nh
ung không dua ra b
t k m c thay d i DC n
ào.
Xét m t tín hi u vào có d ng hình sin, tín hi u này không có n: V
in
=Acos( t),
dây
=2pF, F là t n s tín hi u vào. Trong b khuy ch d i lock in du c cung c p m t tín
hi
u reference có cùng t n s v i tín hi u vào có d ng sau: V
ref
= Bcos( t + ), là d
l ch pha gi a 2 tín hi u.
N u ta nhân 2 tín hi u n
ày v
i nhau ta du c :
V
out
= A cos ( t) . B cos ( t + )
di
u hi n nhi
ên là thành
ph
n 2 t s b lo i b . V y k t qu là ta ch còn l i tín hi u DC (m t chi u). Và di u dó
d n t i V
out
=½ABcos t l v i biên d tín hi u vào V
in
.
Thu
t toán này cho ta m t ý
tu
ng v vi c bi n m t tín hi u AC thành DC có giá tr b ng biên d c a AC ban d u
nhân v
i N l n.
Trong nh
ng ho
àn c
nh th c t , tín hi u d u v
ào thu
ng di k
èm v
i nhi u n, nh
ung
n u chúng ta cài d t m t b l c thông th p phù h p d u ra c a tín hi u thì m i tín hi u
nhi
u v i m i quan h pha khác nhau v
à v
Tuy nhiên, nh
ng thi t b hi n d i d
ua ra nhi
u h
on hai ch
c nang c
o b
n tr
ên. Ví d
m t b khuy ch d i lock in hi n d i có th có nh ng ch c nang sau:
-
Thi
t b khôi ph c tín hi u AC
-
Ðo pha
-
Ðo ti
ng n, nhi u.
-
Vôn k
vector
- B phân tích ph
-
..v.v.........
Chính vì tính linh ho
t n
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
7
Hình 1.5. S
o d
b khuy ch d i lock in [1
5]
Có hai cách th
c thi s
o d
tr
ên
. Trong phuong pháp c
di n t t c các ch c nang c a
b lock-
in d
u du c th c hi n b ng k thu t analog (t
uong t
). Nh
ung c
ung có m t
ph
uong pháp khác có th
th c thi s
tuong t
du c ch ra tr
ên H
ình 1.6
.
H th ng g m có m t máy khuy ch d i d tang tín hi u d u vào c n do d n m t
m c thích h p cho các thao tác sau. M t b l c thông d i du c dùng d lo i b b t k
thành ph
n tín hi u n
ào ho
c t i m c DC ho c t i nh ng h
òa âm c
a tín hi u du c do.
Ti
p d n là m t máy dò nh y pha (Phase Sensitive Detector),
còn
du
c g i là m t
b hoàn di u
(gi
i bi n di u) d ng b (synchronous demodulator ) ho c b
tr n (mixer).
M ch này có th
có nhi u d ng, t b khuy ch d i logarit d n các b nhân four –
quadrant. Tín hi
u v
ào du
c nhân v i
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
8
Hình 1.6.
So d
kh i b khuy ch d i l
ock
-
in tuong t
[8]
Ch
c nang kênh kép này có tác d ng l n t i s tính toán d l n c a tín hi u vào và
m i tuong quan pha c a nó v i tín hi u reference. Hai kênh riêng bi t này thu ng du c
g i là thành ph n cùng pha (
In
-Phase component) và thành ph n vuông pha (
Quadrature
component
) ho
c t
uong
ng l
à I và Q.
Cu
i cùng, d u ra t nh ng b
tr
n (mixer)
à m
t sóng h
ình sin thu
n
khi
t, b t k hàm lu ng sóng hài nào s gây ra s bi n d ng t i d u ra. Nh ng máy phát
sóng hình sin t
uong
t có th cung ch u t nh ng
bi
n d i bi
ên d
gây b
i s bi n d i c a
nhi
t d .
S trôi nhi t d và sai s c a các linh ki n trong h th ng c
ung
có th gây ra nh ng
v n d
khác n
a
cho h
th ng t
uong t
.
Cu
i c
ùng,
B khuy ch d i lock in s (Digital
Lock
-
In Amplifiers
)
So d
kh i c a m t b khuy c
h d
i lock in s du c ch ra tr
ên H
ình 1.7Hình 1.7. B
khuy ch d i lock in s
[8]
Trong m t b khuy ch d i lock in s , ph n l n các quá trình x lý du c th c hi n
trong mi n s s d ng ph n m m và dùng ph n c ng là b x lý tín hi u s (DSP). H
ình
1.7 là m t b khuy ch d i s di n hình, h th ng này c
ung
có m t b khuy ch d i
fron
-end nhung nó du c n i b i m t b l c Anti-alias Filter dùng d l c b t k tín hi u
nào có t
n s l n h
on n
a t n s l y m u.
B
on gi
n. Ti p
theo tín hi
u reference và tín
hi
u d ch pha reference du c nhân v i tín hi u vào b i DSP và sinh ra ra 2 kênh tín hi u,
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
10
m t kênh tín hi u d ng pha I và m t kênh tín hi u vuông pha Q. Cu i cùng nh ng k
ênh
tín hi u này du c cho qua m t b l c thông th p s
(c th dây là b l c s FIR) d thu
du
c nh ng k t q a cu i c
ùng.
Do tín hi u vào du c s hóa b i b chuy n d i ADC nên s không b m t mát. H
on
n a, vì tín hi u tham chi u (reference) du c tính b ng phuong pháp s nên có lu ng h
òa
âm r
)/(
tan
1
IQPhase
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
11
Chuong
2.
Vi Ði
u Khi n
DsPic30F4011
Trong b
n khóa
lu
n n
ày b
x lý s c a m ch khuy ch d i lock-
in s
s (
DSP
) nên dsPIC còn có th du c xem là m t b di u khi n tín hi u s (Digital Signal
Controller
–
DSC
).
H vi di u khi n dsPic có th d t t i t c d x lý 40 MIPS (Mega Instruction Per
Second -
tri
u l nh tr
ên m
t giây
). Ngoài ra dsPic còn
du
c trang b b nh Flash, b nh
d li u EEP
ROM
và các ngo i vi hi u nang cao và r t da d ng các thu vi n ph n m m
cho phép th c hi n các gi i thu t nhúng v i hi u su t cao m t cách d dàng trong m t
kho
ng th i gian ng n.
Chính vì v
y dsPic du c ng d ng r t r ng r
ãi trong các
ng d ng
x lý tín hi u s , do lu ng v
à di
u khi n t d ng, .v..v...
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
12
-
Ch
d d nh d a ch linh ho t
-
Ð
d
ài l
nh 24-
bit, d
dà
i d
li u 16-
bit
- B nh ch
uong tr
ình Flash 24 Kbytes
- B nh RAM d l n 1Kbytes
- B nh EEPROM
-
M
ng 16 thanh ghi l
àm vi
c 16-
bit
ênh l
i v
ào ADC
+ Th
c hi n bi n d i c trong ch d Sleep v
à Idle
-
Ch
d nh n bi t di n th th p kh l p tr
ình
-
T
o Reset b ng nh n di n di n áp kh l p tr
ình
2.
2.3.
Các c
ng
vào ra I/O Po
rt và các ngo
i vi
-
Dòng ra, vào
các chân I/O l n: 25 mA
-
3 Timer 16
2.
2.4.
B x lý tín hi u s
-
N
p d li u song song
-
Hai thanh ch
a 40-
bit có h
tr b
ão hoà logic
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
13
-
Th
c hi n phép nhân 2 s 17-
bit trong m
t chu k
l n (thông thu ng)
-
Kh
nang t n p tr
ình d
u i di u khi n c a software
-
Watch Dog Timer m
m d o v i b dao d ng RC ngu n th p tr
ên chip.
-
Ch
d b o v firmware kh l p tr
ình
- Kh nang t l p trình n i ti p trên m ch di n (In Circuit Serial
Programming
–
ICSP
)
-
Có th
l a ch n các ch d qu n lí ngu n: Sleep ho c Idle
2.3.
C u trúc c a vi di u khi n
dsPic30F4011
2.
uong
trình
du
c s d ng.
Thi
t b dsPIC30F ch a 16 thanh ghi làm vi c 16-bit. M i thanh ghi làm vi c có th
có th làm vi c v i vai trò nhu d li u, d a ch ho c thanh ghi d a ch offset. Thanh ghi
th
16 (W15) ho t d ng nh
u là con tr
ngan x p m m cho ho t d ng ng t v
à g
i ng t.
Các ch
l nh c a dsPIC30F g m 2 l p: L p MCU v
à L
p DSP c a l nh. Hai l p n
ày
du
c k t h p d ng nh t v i nhau trong ki n trúc và th c hi n t m t kh i th c hi n d
on.
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
14
hanh ghi PSVPAG 8
-
bit (
P
rogram
S
pace
V
isibility
P
age). Do dó các l
nh có th
truy c p không gian chuong trình nhu không gian d li u, nhung có m t gi i h n l
à
nó c n thêm m t chu k l nh n a. Ch có 16 bít th p c a m i t l nh có th s d ng
phuong th
c tr
uy c
p n
ày.
- Truy c p tr c ti p không tuy n tính c a các trang 32K t n m trong không gian
chuong trình cung có th s d ng các thanh ghi làm vi c, thông qua b ng l nh d c
và ghi. B ng l nh d c và ghi có th du c s d ng d truy c p c 24 bit c a m t t
l nh.
Kh
i X AGU (kh i AGU c a b nh X) cung h tr vi c d o bit d a ch trên d a ch
dích k t qu nh m don gi n hoá t i da d li u vào ho c ra d chúng thích h p cho thu t
toán FFT co s
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
16
Hình 2.
2.
Các thanh ghi c
a kh i x lý trung tâm
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
17
Công c DSP du c tích h p vào vi x lý làm tang ý nghia c a m t CPU m nh v
thu
t toán. Ð c di m c a nó là th c hi n t c d cao m t phép nhân hai s 17-bit, m t
kh
i s h c và logic (ALU) 40-bit, hai thanh ch a có kh nang bão hoà 40-bit và m t b
d ch hai hu ng 40-bit. D li u trong thanh ch a ho c b t k m t thanh ghi làm vi c n
ào
có th du c d ch trái 15 bit hay d ch trái 16 bit ch trong m t chu k l nh. Các l nh DSP
ho
t d ng th ng nh t v i t t c các l nh khác v
tr 3 ki u d a ch d li u:
- Ð a ch tuy n tính.
- Ð a ch v
òng.
- Ð a ch d o bit.
Ch
d d a ch tuy n tính và d a ch vòng có th áp d ng cho không gian d li u
ho
c không gian chuong trình. Ch d d o bit d a ch áp d ng cho các d a ch không gian
d li u
2.
3.2.1. Ch
d d a ch l nh
Các ch d d a ch du c cung c p trong l p MAC c a các l nh thì có khác nhau dôi chút
các l
nh khác nhau.
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
18
B ng 2.
1. Các ch
ho
c 5 bit thông thu ng. K t qu du c d t trong có th là thanh ghi W ho c m t d a ch
c d nh.
L nh di chuy n v
à tích lu
L nh di chuy n và các l p DSP tích lu c a l nh làm cho s m m d o c a d a ch
cao hon các l
nh khác. T t c các l nh MCU, l nh di chuy n v
à tích lu
d u h tr ch d
d a ch , v
à c
ung h tr ch d thanh ghi gián ti p v
à thanh ghi d
a ch offset.
Chú ý: d i v i l nh MOV, ch d d a ch du c ch rõ trong l nh có th khác nhau
gi
a ngu n v
à dích. Tuy nhiên tru
ng c a 4-
bit offset c
a thanh ghi Wb du c chia s gi a
ngu
n v
à dích.Các l
ra dích r nhánh tr c ti p, trong khi lênh DISI s d ng tru ng s 14-bit không d u.
Trong m t vài l nh nhu ADD hay ACC, ngu n c a m t toán h ng ho c k t qu du c d
ua
ra b i chính mã l nh c a nó. Tuy nhiên, m t vài l nh nhu NOR, l i không có toán h ng
nào.
2.
3.2.2. Ch
d d o bit d a ch
Ð a ch du c d o bit
nh
m làm don gi n hoá d li u cho thu t toán FFT co s 2. Nó
du
c h tr b i kh i AGU c a X ch cho vi c ghi d li u.
Th
c hi n d o bit d a ch
Ð o bít d a ch du c b t khi các di u ki n sau du c tho m
ãn:
- Các bit BWM (l a ch n thanh ghi W) trong thanh ghi MODCON giá tr l n hon 15
(không th
truy c p ngan x p khi dang s d ng ch d d o bit d a ch )
-
Bit BREN du
c d t trong thanh ghi XBREV
-
Ch
2.
3.3.
T ch c b nh v
à b
nh ch
uong tr
ình
2.
3.3.1.
Không gian d
a ch ch
uong tr
ình
Không gian d a ch chuong trình có d l n
4M t l nh. B n d không gian b nh ch
uong
c a
dsPic30F4011
du
c ch ra trong
Hình 2.
4.
B nh chuong trình có th du c d a ch
hoá
b i m t giá tr 24-bit b i b d m ch
uong
gian b
nh ch
uong tr
ình
Copyright: Tài liệu đại học ©