BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: 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 Cơng 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 cịn lại của bản khóa luận sẽ là phần thực
nghiệm, ở đây trình bày tồn bộ q 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. Cịn 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 lockin 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 Cơng 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. Khơng 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 Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội

Khóa Luận Tốt Nghiệp

2.3.3.3. Truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ chương trình sử dụng khơng 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 tốn 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 Cơng 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 Cơng 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 tốn

AC

:

Dịng điện xoay chiều

DC

:

Dịng điện một chiều

Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn


ĐH Cơng 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 phịng thí nghiệm nào. Một hệ đo nhạy và có chính xác cao cịn được ứng
dụng trong y học, đó chính là những máy xét nghiệm y sinh. Ngồi ra nó cịn 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. Ngồi ra
trong bộ khuyếch đại lock-in tương tự thì ảnh hưởng từ việc trơi 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 cơng nghệ số, một vi điều khiển có thể đảm nhiệm
tốt vai trị là bộ bộ lọc và bộ trộn kênh có độ chính xác cao. Vì được số hóa nên sẽ khơng
có hiện tượng trơi 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 Cơng 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 ngun nhân ra đời của bộ khuyếch đại lock in (lock-in amplifier).
Vậy tại sao ta lại khơng 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 thơng 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

100 KHz 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 thơng 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

100 Hz x 1000) = 50uV, và tín hiệu sẽ vẫn là

10uV. Nhiễu ở lối ra vẫn lớn hơn nhiều lần tín hiệu, và khơng 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 khơng khả thi.Tuy nhiên một bộ dị 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 cịn là 10u.

Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn

2


ĐH Cơng 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 thơng thấp[2]
Kỹ thuật dị nhạy pha (Phase-Sensitive Detection) :
Có thể nói “Bộ dị nhạy pha - Phase Sensitive Detection (PSD)” là trái tim của bộ
khuyếch đại lock in, nó được xem như là một bộ hồn điệu hay bộ trộn. Máy dị 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
khơng tạp nhiễu (noise-free) hình sin. Xác định trong sơ đồ như “Signal In”. Thiết bị

Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn

3


ĐH Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội

Khóa Luận Tốt Nghiệp

được ni với nguồn tín hiệu tham chiếu (hay cịn 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 dị 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 khơng 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 Cơng 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 thơng 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 khơng có ồn. Nhưng
trong những ứng dụng thực tế tín hiệu vào luôn đi kèm với ồn nhiễu. Ồn nhiễu này khơng
có tần số cố định hoặc khơng có mối quan hệ pha cố định. Ồn này cũng được nhân lên với
tín hiệu reference, nhưng khơng đưa ra bất kỳ mức thay đổi DC nào.
Xét một tín hiệu vào có dạng hình sin, tín hiệu này khơng 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 Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Bây giờ nếu ta cho tín hiệu ra Vout qua bộ lọc thơng thấp thì điều hiển nhiên là thành

phần 2ωt sẽ bị loại bỏ. Vậy kết quả là ta chỉ cịn 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 hồn 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 khơi 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 khơi phục tín hiệu AC
- Đo pha
- Đo tiếng ồn, nhiễu.
- Vơn 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 phịng
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 thơng 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 Cơng 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 hịa 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
vịng khóa pha (phase-locked-loop) khóa vào tín hiệu reference của tín hiệu.
Trong q 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 ngồi 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 Cơng 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 tốn 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
component) hoặc tương ứng là I và Q.
Cuối cùng, đầu ra từ những bộ trộn (mixer) được đưa vào bộ lọc thông thấp có khả
năng loại bỏ mọi tín hiệu khơng đồng bộ (non-coherent), để lại một tín hiệu DC cuối cùng
tỷ lệ với biên độ và pha của tín hiệu vào.
Có một số vấn đề với bộ khuyếch đại lock-in tương tự. Để có một sự chính xác cao,
tín hiệu reference phải có hàm lượng sóng hài rất thấp. Nó phải là một sóng hình sin thuần
khiết, bất kỳ hàm lượng sóng hài nào sẽ gây ra sự biến dạng tại đầu ra. Những máy phát
sóng hình sin tương tự có thể cũng chịu từ những biến đổi biên độ gây bởi sự biến đổi của
nhiệt độ.
Sự trôi nhiệt độ và sai số của các linh kiện trong hệ thống cũng có thể gây ra những
vấn đề khác nữa cho hệ thống tương tự.
Cuối cùng, cần nói thêm rằng bất kỳ một độ phi tuyến nào trong hệ số khuyếch đại
và pha cũng có thể dẫn đến các sai số trong tín hiệu ra. Việc khắc phục các vấn đề này
khiến cho bộ khuyếch đại lock-in tương tự trở nên một thiết bị rất đắt đỏ và được sử dụng
khi đòi hỏi các băng thông lối vào cao.

Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn

8


ĐH Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội

Khóa Luận Tốt Nghiệp

1.3. Bộ khuyếch đại lock in số (Digital Lock-In Amplifiers)
Sơ đồ khối của một bộ khuyếch đại lock in số được chỉ ra trên Hình 1.7

Hình 1.7. Bộ khuyếch đại lock in số[8]
Trong một bộ khuyếch đại lock in số, phần lớn các quá trình xử lý được thực hiện
trong miền số sử dụng phần mềm và dùng phần cứng là bộ xử lý tín hiệu số (DSP). Hình
1.7 là một bộ khuyếch đại số điển hình, hệ thống này cũng có một bộ khuyếch đại
fron-end nhưng nó được nối bởi một bộ lọc Anti-alias Filter dùng để lọc bất kỳ tín hiệu
nào có tần số lớn hơn nửa tần số lấy mẫu.
Bộ điều khiển tín hiệu số (Digital signal controller) ở đây có thể sử dụng nhiều loại
chip xử lý số chuyên dụng, ví dụ như dsPic chẳng hạn (dsPic là một chip xử lý số tương
đối mạnh, tốc độ cao).
Tín hiệu reference trong bộ khuyếch đại lock in số có thể được tạo ra bên trong hoặc
bên ngồi. Trong trường hợp tín hiệu được phát sinh nội tại, những điểm mẫu riêng lẻ của
tín hiệu reference có thể tính tốn tới một mức độ chính xác cao, và bởi vậy khơng có
những sai số thường gặp khi dùng tín hiệu reference như trong các máy lock-in tương tự.
Tín hiệu reference trong bộ khuyếch đại lock-in số được dịch pha 900 rất đơn giản bằng
cách tra cứu bảng hoặc bằng những phép tốn đơn giản. Tiếp theo tín hiệu reference và tín
hiệu dịch pha reference được nhân với tín hiệu vào bởi DSP và sinh ra ra 2 kênh tín hiệu,

Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn

9


ĐH Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội

Khóa Luận Tốt Nghiệp

một kênh tín hiệu đồng pha I và một kênh tín hiệu vng pha Q. Cuối cùng những kênh
tín hiệu này được cho qua một bộ lọc thông thấp số (cụ thể ở đây là bộ lọc số FIR) để thu
được những kết qủa cuối cùng.
Do tín hiệu vào được số hóa bởi bộ chuyển đổi ADC nên sẽ khơng bị mất mát. Hơn
nữa, vì tín hiệu tham chiếu (reference) được tính bằng phương pháp số nên có lượng hịa
âm rất thấp.
Điều quan trọng nữa là sự lệch gây bởi tính phi tuyến của hệ số khuyếch đại và pha
của các linh kiện tương tự sẽ bị triệt tiêu trong bộ khuyếch đại lock-in số và sẽ khơng có
các sai lệch gây bởi sự trơi nhiệt hoặc sự già hóa của các linh kiện.
Cuối cùng bộ vi xử lý sẽ tính tốn độ lớn vector của tín hiệu ra và độ lệch pha của
tín hiệu lối vào so với tín hiệu reference qua công thức sau :

Magnitude I 2  Q 2

Phase  tan 1 (Q / I )

Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn

10


ĐH Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Chương 2. Vi Điều Khiển DsPic30F4011
Trong bản khóa luận này bộ xử lý số của mạch khuyếch đại lock-in số dùng một vi
điều khiển DsPic với nhãn hiệu thương mại là DsPic30F4011 của hãng Microchip. Toàn
bộ nội dung chương 2 này được lấy từ tài liệu [6].
2.1. Giới thiệu chung về họ vi điều khiển Dspic
Họ vi điều khiển 16 bit dsPic do công ty công nghệ Microchip Technology Inc. sản
xuất, được phát triển trên nền họ vi điều khiển 8 bit Pic.
Vi điều khiển dsPic là một chip xử lý mạnh với bộ xử lý 16 bit (có khả năng xử lý
dữ liệu có độ dài 16 bit). Với tốc độ tính tốn cao dựa trên kiến trúc RISC, kết hợp các
chức năng điều khiển tiện ích của một bộ vi điều khiển hiệu năng cao 16-bit (highperformance 16-bit microcontroller), có thể thực hiện chức năng của một bộ xử lý tín hiệu
số (DSP) nên dsPIC cịn có thể được xem là một bộ điều khiển tín hiệu số (Digital Signal
Controller – DSC).
Họ vi điều khiển dsPic có thể đạt tới tốc độ xử lý 40 MIPS (Mega Instruction Per
Second - triệu lệnh trên một giây). Ngồi ra dsPic cịn được trang bị bộ nhớ Flash, bộ nhớ
dữ liệu EEPROM và các ngoại vi hiệu năng cao và rất đa dạng các thư viện phần mềm
cho phép thực hiện các giải thuật nhúng với hiệu suất cao một cách dễ dàng trong một
khoảng thời gian ngắn. Chính vì vậy dsPic được ứng dụng rất rộng rãi trong các ứng dụng
xử lý tín hiệu số, đo lường và điều khiển tự động, .v..v...
Họ vi điều khiển dsPic được chia ra làm ba loại tùy theo mục đích của người sử
dụng :
-

Bộ điều khiển số cho điều khiển motor và biến đổi nguồn (DSC Motor Control &
Power Conversion Family)

-

Bộ điều khiển số cho sensor (DSC Sensor Family)

-

Bộ điều khiển số đa mục đích (DSC General Purpose Family)

2.2. Đặc điểm chung của vi điều khiển dsPic30F4011
2.2.1. Khối xử lý trung tâm CPU
- Tập lệnh cơ bản gồm 84 lệnh

Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn

11


ĐH Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội

Khóa Luận Tốt Nghiệp

- Chế độ định địa chỉ linh hoạt
- Độ dài lệnh 24-bit, độ dài dữ liệu 16-bit
- Bộ nhớ chương trình Flash 24 Kbytes
- Bộ nhớ RAM độ lớn 1Kbytes
- Bộ nhớ EEPROM
- Mảng 16 thanh ghi làm việc 16-bit
- Tốc độ làm việc lên tới 40 MIPS
2.2.2. Bộ chuyển đổi tương tự số ADC
- Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) 10-bit
+ Tốc độ lấy mẫu tối đa 1 Msps (Mega samples per second)
+ Tối đa 10 kênh lối vào ADC
+ Thực hiện biến đổi cả trong chế độ Sleep và Idle

- Chế độ nhận biết điện thế thấp khả lập trình
- Tạo Reset bằng nhận diện điện áp khả lập trình
2.2.3. Các cổng vào ra I/O Port và các ngoại vi
- Dòng ra, vào ở các chân I/O lớn: 25 mA
- 3 Timer 16-bit, có thể ghép 2 Timer 16-bit thành Timer 32-bit
- Chức năng Capture 16-bit
- Các bộ so sánh/PWM 16-bit
- Module SPI 3 dây (hỗ trợ chế độ Frame)
- Module I2C, hỗ trợ chế độ đa chủ tớ, địa chỉ từ 7-bit đến 10-bit
- UART có khả năng địa chỉ hoá, hỗ trợ bộ đệm FIFO
2.2.4. Bộ xử lý tín hiệu số
- Nạp dữ liệu song song
- Hai thanh chứa 40-bit có hỗ trợ bão hồ logic

Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn

12


ĐH Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội

Khóa Luận Tốt Nghiệp

- Thực hiện phép nhân 2 số 17-bit trong một chu kì máy
- Tất cả các lệnh DSP đều thực hiện trong một chu kì máy
- Dịch trái hoặc phải 16 bit trong một chu kì máy
2.2.5. Một số đặc điểm khác
- Bộ nhớ Flash: ghi/xoá lên tới 10.000 lần (điều kiện công nghiệp) và trên dưới
100.000 lần (thông thường)
- Bộ nhớ EEPROM: ghi/xố lên tới 100.000 lần (điều kiện cơng nghiệp) và trên dưới

1.000.000 lần (thông thường)
- Khả năng tự nạp trình dưới điều khiển của software
- Watch Dog Timer mềm dẻo với bộ dao động RC nguồn thấp trên chip.
- Chế độ bảo vệ firmware khả lập trình
- Khả năng tự lập trình nối tiếp trên mạch điện (In Circuit Serial Programming –
ICSP)
- Có thể lựa chọn các chế độ quản lí nguồn: Sleep hoặc Idle
2.3. Cấu trúc của vi điều khiển dsPic30F4011
2.3.1. Khối xử lý trung tâm CPU
CPU của dsPic30F4011 được thiết kế trên kiến trúc RISC, nhân của CPU có một bộ
xử lí lệnh 24-bit và bộ đếm chương trình – Program Counter (PC) độ rộng 23-bit với bit ý
nghĩa thấp nhất ln bằng 0, cịn bít ý nghĩa cao nhất thì được bỏ qua trong suốt quá trình
thực hiện chương trình bình thường, chỉ trừ khi thực hiện các lệnh đặc biệt. Do đó, bộ
đếm chương trình có thể định địa chỉ lên tới 4 triệu từ lệnh của khơng gian bộ nhớ chương
trình được sử dụng.
Thiết bị dsPIC30F chứa 16 thanh ghi làm việc 16-bit. Mỗi thanh ghi làm việc có thể
có thể làm việc với vai trò như dữ liệu, địa chỉ hoặc thanh ghi địa chỉ offset. Thanh ghi
thứ 16 (W15) hoạt động như là con trỏ ngăn xếp mềm cho hoạt động ngắt và gọi ngắt.
Các chỉ lệnh của dsPIC30F gồm 2 lớp: Lớp MCU và Lớp DSP của lệnh. Hai lớp này
được kết hợp đồng nhất với nhau trong kiến trúc và thực hiện từ một khối thực hiện đơn.

Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn

13


ĐH Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội

Khóa Luận Tốt Nghiệp

Các chỉ lệnh bao gồm nhiều chế độ địa chỉ và được chế tạo nhằm tương thích với trình
biên dịch ngơn ngữ C.
Khơng gian dữ liệu có thể được địa chỉ hoá thành 32K words hoặc 64 Kbytes và
được chia làm hai khối, được gọi là bộ nhớ dữ liệu X và bộ nhớ dữ liệu Y. Mỗi khối đều
có khối tạo địa chỉ - AGU (Adress Generator Unit) riêng biệt của nó. Tất cả các lệnh hoạt
động đơn độc chỉ qua bộ nhớ X, và khối AGU – quy định sự xuất hiện của một vùng dữ
liệu thống nhất. Lớp thanh chứa phép nhân (Multiply-Accumulate) – MAC của lệnh DSP
hoạt động thông qua cả hai khối AGU của bộ nhớ X và Y, nó chia địa chỉ dữ liệu thành
hai phần. Mỗi từ dữ liệu gồm 2-bytes, và tất cả các lệnh có thể định địa chỉ dữ liệu theo
bytes hoặc words (từ).
Có hai cách để truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ chương trình đó là:
-

32 Kbytes cao của vùng nhớ dữ liệu có thể được sắp xếp trong nửa thấp của

khơng gian chương trình tại biên của 16K từ chương trình bất kỳ, được định nghĩa
bởi thanh ghi PSVPAG 8-bit (Program Space Visibility Page). Do đó các lệnh có thể
truy cập khơng gian chương trình như khơng gian dữ liệu, nhưng có một giới hạn là
nó cần thêm một chu kỳ lệnh nữa. Chỉ có 16 bít thấp của mỗi từ lệnh có thể sử dụng
phương thức truy cập này.
- Truy cập trực tiếp khơng tuyến tính của các trang 32K từ nằm trong khơng gian
chương trình cũng có thể sử dụng các thanh ghi làm việc, thơng qua bảng lệnh đọc
và ghi. Bảng lệnh đọc và ghi có thể được sử dụng để truy cập cả 24 bit của một từ
lệnh.
Khối X AGU (khối AGU của bộ nhớ X) cũng hỗ trợ việc đảo bit địa chỉ trên địa chỉ
đích kết quả nhằm đơn giản hố tối đa dữ liệu vào hoặc ra để chúng thích hợp cho thuật
toán FFT cơ số 2.
Với tất cả các lệnh, nhân của dsPIC30F có khả năng thực hiện việc đọc bộ nhớ dữ
liệu hoặc bộ nhớ chương trình, đọc thanh ghi làm việc, ghi vào thanh ghi làm việc và đọc
bộ nhớ chương trình mỗi chu kì lệnh. Như vậy, lệnh 3 toán hạng được hỗ trợ, cho phép

thực hiện phép tính C = A + B trong một chu kì lệnh.

Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn

14