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.

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

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

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

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.