Luận Văn Thiết kế một bộ khuyếch đại lock-in số dựa trên vi điều khiển DsPic

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.

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
1 2.1. Giới thiệu chung về họ vi điều khiển Dspic 11
2 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
3 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
2.3.3. Tổ chức bộ nhớ và bộ nhớ chương trình 20
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
Trong vi xử lý dsPIC40F4011 có tới năm bộ định thời (Timer) 16-bit. Trong đó các Timer có thể hoạt động riêng biệt, riêng hai Timer 2, 3 và hai Timer 4, 5 có thể kết hợp với nhau để trở thành một Timer 32 bit. 27
Xung nhịp đầu vào (F***osc*/4 hoặc xung nhịp ngoài) đưa vào Timer 16-bit và có thể được chia tần số theo các tỉ lệ sau: 1:1, 1:8, 1:64, 1:256 được xác định bởi các bit TCKPS<1:0> của thanh ghi TxCON. Hệ số chia tần này (prescaler) có thể bị xoá khi xảy ra một trong các điều kiện sau: 27
2.3.7. Bộ chuyển đổi tương tự số ADC 30
Module ADC sử dụng RAM để làm bộ đệm lưu kết quả biến đổi A/D. Có tất cả 16 vị trí trong RAM được sử dụng để làm việc này, đó là: ADCBUF0, ADCBUF1, ADCBUF2, ., ADCBUFE, ADCBUFF. RAM chỉ có độ rộng 12-bit nhưng dữ liệu chứa trong nó lại là một trong bốn dạng số 16-bit đó là: nguyên, nguyên có dấu, phân số, và phân số có dấu. 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
3.1.4. Khối khuyếch đại tín hiệu vào 43
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
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
Kết Luận 59
Phụ Lục 60