Nghiên cứu xây dựng hệ đo tín hiệu nhỏ cao tần trên cơ sở PC và ứng dụng

Đ Ạ I HỌ C Q U O C G IA H A N Ọ I
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN
N G H IÊN CỨU XÂY D ựNG HỆ ĐO TÍN HIỆU NHỎ
• • • ■
CAO TẦN TRÊN c ơ SỞ PC VÀ ÚNG DỤNG
Mã sổ: QG-08-04
Chủ trì đề tài: PGS. TS Phạm Quốc Triệu
Tham gia đề tài: ThS. Nguyễn Thị Mỹ Đức
ThS. Nguyễn Tuấn Hưng
ThS. Lưu Tiến Mạnh
ThS. Nguyễn Thế Nghĩa
ĐAI HỌ C Q U O C G.M ma NỌI
TRUNG TẨM THÒNG TIN THỰ VIỀN
_ p t / m
_
___________
Hà Nội-2010
BÁO CÁO TÓM TẮT
Nghiên cứu xây dựng hệ đo tin hiệu nhỏ cao tần
trên cơ sở PC và ứng dụng
Mã số: QG-08-04
Chủ trì đề tài:
Các cán bộ tham gia:
Đề tài:
1. Mục tiêu nghiên cứu
a) N gh iê n cứu xây dựng hệ đo tín hiệu từ trường nhỏ nguyên lý
Pluxgate trên cơ sở ghép nối PC
b) N g hiên cứu khả năng ứng dụng cua hệ th iết bị.
2. Nội dung nghiên cứu
a) T ín hiệu nhỏ và giải pháp nâng cao ty số S/N
b) T hiết kế, chế tạo hệ phát hiện từ trường nhó neuyên lý Fluxgate

c) Th iế t kế chế tạo hệ thốn g ghép nối PC
d) X ây dựng hệ thống đo tự động từ trường nho
e) N ghiên cứu khả năng ứng dụng.
PGS. TS Phạm Quốc T riệu
ThS. Ng uyễn T hị M ỹ Đức
ThS. Ng uyễn Tuấn Hưng
ThS. Lưu Tiến Mạnh
ThS. N guyến Thế Nghĩa
a) Đề tài đã thu được các kết quả khoa học như sau:
- Xây đựng được hệ thống thiết bị thu tín hiệu từ trường nhỏ dùng sensor
fluxgate ghép nối với PC.
- Thu được các kết quả thực nghiệm phù họp lý thuyết
b) Bài báo/báo cáo khoa học: 04 bài
+ Pham Quoc Trieu, Nguyen Anh Due, Implementation of the digital
phase-sensitive system for low signal measurement, VNƯ Journal o f
Science, Mathematics - Physics N° 24-2008, p. 239-244.
+ Phạm Quốc Triệu, Nguyen Thế Nghĩa, Nguyễn Tuấn Hưng và một số
cộng sự, Nghiên cứu chế tạo và thừ nghiệm sensor phát hiện từ trường
nhỏ. Báo cáo tại Hội nghị Vật ]ý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc
lần thứ 6 (SPMS-2009), Đà Nang.
+ Pham Quoc Trieu, A Versatile Magneto-Electronic Sensor, IEEE The
2009 International Conference on Advanced Technologies for
Communication (ATC Hai Phong 2009).
+ B.T.Huy, V.X.Quang, H.X.Vinh, T.V.Tuat, P.Q.Trieu, Some
characteristics of single crystal Hội nghị KHCN hạt nhân
toàn quốc lần thứ VIII (Nha Trang 2009).
c) Đào tạo: 03 Thạc sỹ
❖ Học viên: Nguyễn Thị Mỹ Đức
- Tên Luận văn: Nghiên cứu xây dirna hệ đo tự độrta tín hiệu
- Nă m bảo vệ: 2008

♦í* Học viê n: Nguyễn Tuấn Hưng
- Tên Luận văn: Xử lý tín hiệu nhỏ từ m ột số sensor
và ứng dụng
- Năm bảo vệ: 2009
❖ H ọc viên: Lưu Tiến M ạnh
- Tên Luận văn: N ghiên cứu thiết kế. chế tạo thiết bị phát hiện
kim loại trong gỗ và ứns dụng
- N ăm bảo vệ: 2009
3. Các kết quả đạt được
c) Kết quả đề tài bổ xung một phần cho bài giảng:
Phạm Quốc Triệu, Phương pháp thực nghiêm vật lý,
Dùng cho sinh viên năm thứ ba Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN.
4. Tình hình sử dụng kỉnh phí:
Tổng kinh phí được cấp: 60.000.000 đ {sáu mươi triệu đồng)
Kinh phí năm 2008: 40.000.000 đ
Kinh phí năm 2009: 20.000.000 đ
Các khoản chi phí đã thanh toán đầy đủ chứng từ tại Phòng KH-TV.
Xác nhận của BCN Khoa Chủ trì đề tài
Phạm Quốc Triệu
Xác nhận của Nhà trường
P H Ó HIỆU T R U Ỏ N G
BRIEF REPORT
Title:
Studying to built a hi-frequence small signal system
on the base of PC and application
Code: QG-08-04
CO O RD INA TO R: Assoc. Prof. Dr. Pham Quoc T rieu
K EY IM P LE M E N TO R S : MSc. Nguyen T h i M y Due
MSc. N guyen Tuan H ung
MSc. Luu Tien M anh

M Sc. Nguyen The N gh ia
1. Purpose and content of the Researching
* Purpose:
- Study to b u ilt the automatic system fo r measuring small magnetic
signals using Flu xgate princip le .
- Study o f the applied ab ility o f this experim ental m easurem ent system.
* Content:
- Study o f the methods fo r im provem ent o f signal and avoid random noise
(S /N )
- T o design, m anufacture the sensor for detection sm all magnetic signals
- T o design, m anufacture the system fo r interference in PC
- Study o f effects, ca libration and discussion
- T o estimate the sen sibility and application o f the system.
2. R esults
a) The m ain results o f the project:
- To b u ilt successfully the equipm ent fo r m easuring sm all magnetic
signal using fluxga te sensor w h ic h can be controled by PC.
- The e xperim ent results are w e ll matched w ith theory.
b) Sientific article : 04
+ Pham Q uoc Trieu , N guyen A nh Due, Implementation o f the digital
phase-sensitive system fo r low signal measurement, V N Ư Journal o f
Science, M athem atics - Physics N ° 24-2008, p. 239-244.
+ Phạm Quốc T riệu , N guyễn Thế Nghĩa, N guyễn Tuấn Hưng and other.,
Study, manufacture and testing o f the sensor fo r detection of small
magnetic field, SPM S V I-2009, Da Nang.
+ Pham Q uoc Trieu, A Versatile Magneto-Electronic Sensor, IE EE The
2009 In tern ation al Conference on Advanced Technologies fo r
C om m u nica tion (A T C Hai Phong 2009).
+ B .T .H u y, V .X .Q u an g, H .X .V inh , T .V.T ua t, P .Q .Trieu, Some
characteristics o f single crystal LÌ2B4O7.CU, The V III N ational

Conference on N S T (Nha Trang 2009).
c) T ra in in g: 03 M Sc
❖ Nam e o f M aster Student: Nguyễn T hị M ỹ Đức
- T itle o f Thesis: Study of m anufacture the systems for
measurement signal autom atically
- Year to uphold thesis: 2008
❖ N am e o f M aster Student: Nguyễn Tuấn Hưng
- T itle o f Thesis: To treat the small signals from sensors
and application
- Year to uphold thesis: 2009
❖ Nam e o f M aster Student: Lưu Tiến Mạnh
- T itle o f Thesis: Study o f design, manufacture the device
fo r detection metal in w ood and application
- Y ear to uphold thesis: 2009
c) The results o f project have participated into the lecture:
Pham Q uoc Trieu - Experim ental M ethods in Physics
MỤC LỤC
MỞ Đ À U 01
Chương 1 - SENSOR F LU X G A TE 02
1.1 Giới thiệu ch un g 02
1.2 Nguyên lý thiết bị dùng sensor Fluxgate
02
1.3 Sơ đồ khối của thiết b ị 05
Chương 2 - HỆ TH ỐNG GHÉP N Ô I M Á Y T ÍN H 12
2.1 K hối phần cứ ng 12
2.2 Giao diện phần m ềm
.
16
2.3 Tính năng kỹ thuật
.

20
Chương 3 - CÁC K ẾT Q U À THỰ C N G H IỆ M 21
3.1 Khảo sát tín hiệu từ một số sensor 21
3.2 Ghi tín hiệu máy phát tần số 30
3.3 Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ ghép nối máy tín h
31
3.4 Thảo luậ n 38
K Ế T L U Ậ N 39
T À I LIỆ U T H A M K H Ả O 40
PHỤ LỤC
MỞ ĐẦU
Từ trường là m ộ t yếu tố gắn liền vớ i trá i đất và là m ột tín hiệu rất nhỏ. N ỏ
luôn tồn tạ i xung quanh chúng ta, nhưng bằng các giác quan của con người lại
không thể cảm nhận được sự hiện diện của nó. Tu y nhiên, từ trường lạ i có ảnh
hưởng rất lớn đến đời sống của con người cũng như của động vật. K h i từ trường
trái đất có sự biến động, những người già hay những cơ thể nhạy cảm có thể nhận
thấy được sự thay đổ i bởi những phản ứng của cơ thể. Từ trường cũng có ảnh
hưởng rất lớn đến động vật. Nhờ có từ trường trái đất, các đàn chim và m ột số loài
cá như cá h ồ i có thể định hướng trong quá trình di cư. M ộ t số nghiên cứu khoa
học cũng cho th ấy trâu bò có xu hướng đứng theo trục bắc-nam. Có nhiều ảnh
hưởng như thế nhưng từ trường trái đất khó có thể nhận biết được, ngay cả trong
phòng thí nghiệm .
T ín hiệu nhỏ là tín hiệu mà cường độ của nó tương đương như cường độ
của nhiễu và tạp âm. T ron g thực tế, không có tín hiệu nào là không kèm theo tạp
nhiễu. Tăng cường tín hiệu m ột cách đơn giản cũng đồng thời làm tăng tạp nhiễu.
D o đó, để phát hiện được các tín hiệu nhỏ đó thì cần phải có các thiết b ị làm tãng
tín hiệu cần thiết và loại bỏ được tạp nhiễu kèm theo tín hiệu. M ặ t khác, để quan
sát đồng thờ i tín hiệu trong m ột thời gian dài, tại nhiều điểm khác nhau về địa lý,
ngày nay các thiế t b ị đo cần được ghép nối m áy v i tính nhàm thực hiện tự động
thu thập số liệu, chuyển tải số liệu cập nhật về trung tâm nghiên cứu xử lý.

Tro ng đề tà i này, tín hiệu nhỏ mà chúng tô i nghiên cứu là các tín hiệu nhỏ
từ các sensor nó i chung, tín hiệu từ trường nhỏ nói riêng.
1
CHƯƠNG I
SENSOR FLUXGATE
1.1. Giới thiệu chung
Trường trá i đất luô n ỉu ôn thay đổi, không thể cố định trong m ộ t không gian
kín và đưa vào phòng thí nghiệm để khảo sát. D o đó, m uốn đo đạc phải lấy các
mẫu nào ít nhiễu và đò i h ỏi phải hiểu biết về các đặc điểm ở tầng trên của khí
quyển hoặc ở sâu trong lò ng đất. ở m ọi nơi trên bề m ặt trái đất, trường là “ cố
định” (ví dụ những thay đổi nhỏ ảnh hưởng đến thành phần của phổ tại thời điểm
nghiên cứu) k hi so sánh nó vớ i các trường nhỏ xung nhanh. Các cảm biến được sử
dụng phải đáp ứng dải biên độ rất rộng, từ nhỏ hơn 10'3 đến lớn hem 104 nTesla,
hay hạn chế giữa các tần số đặc trưng trong lớp cụ thể của hiện tượng địa từ [4].
Đ ộ nhạy của các thié t b ị đo từ trường trái đất chưa có giới hạn. M ỗ i bước
mới trong cách g iải quyết của địa từ trường sẽ có những cái m ới, sẽ có các chi tiết
mới cho m ô i trường vậ t lý trái đất của chúng ta [15]. T uy nhiên, có nhiều hiện
tượng đa dạng để đáp ứng từ trường theo nhiều cách khác nhau. Thực tế, người ta
đã sản xuất nhiều lo ại cảm biến, m ỗi loại có những lạ i thế riêng [5 ], [12].
Có m ột số phương pháp được áp dụng để phát hiện và đo từ trường nhỏ với
những cấp độ chính xác khác nhau:
Từ kế
Cấp độ chính xác (y)
Á p dụng
Quang học Zeem an 104
Sử dụng cho các từ trường mặt
trời mạnh
Fluxgate 10'1 ứ n g dụng trong hầu hết các đài
thiên vãn hiện đại
Proton

10'1 Đ o đạc trường tôna tiêu chuân
Bơm quang học
ỈO'2 Đ o trường tông
V òn g dây dân 10'4
Đ o vận tôc trường thay đôi
M á y đo dòng trái đât 10'6
Sử dụng tôt trong ngành vật lý
S Q UID (dụng cụ ¿iao
thoa lượng tử siêu dẫn)
10'5 M ờ rộng cho đo đạc các mâu đá
1.2. Nguyên lý thiêt bị c
ùng sensor Fluxgate
Từ “ Flu xg ate” điển hình áp dụng cho các từ kế theo phương pháp thay đổi
từ trường liên tục tron g m áy đo m ột cách tuần hoàn [4].
2
C ụm từ “ lõ i bão hòa” nghĩa là các vật liệ u có độ từ thẩm cao được sử dụng
để khuếch đại tín hiệu từ trường được chọn trong m ột vòng nhỏ (vài cm hoặc ít
hom) của anten, giống hệ thống anten vòng lõ i được m ô tả ở trên. Sự khác nhau
giữa hai hệ thống khô ng chỉ là kích thước của vòng mà cả tính chất (bão hòa) trễ
từ được sử dụng tro ng các trường dao động mạnh. Trường này là tùy chọn, theo
các hướng đ ối xứ ng (+ ) và (-), do trường tự nhiên hiện tại. Cường độ trường địa từ
tác động lên đầu dò, gây ra sạ méo hài, đuợc đo trên các vòng thứ cấp.
T ro ng hầu hết các phiên bản được sử dụng của phương pháp lõ i bão hòa,
chất lượng các phép đo có chứa thành phần hài thứ cấp của tần số kích thích được
tạo thành tron g khoảng bão hòa p hi tuyến của cảm biến.
điện ãp lòi ra
H ình 1.1. Nguyên lý phương pháp Fluxgate
Tron g hình 1.1, ta thấy m ột trường địa từ bao quanh bên ngoài Ho chồns
lên trên trường kích thích hình sin của biên độ A . Các m ối quan hệ về độ lớn như
A » H 0 vớ i A được điều chinh lớn hơn mức bão hòa cần thiết của lõ i có độ từ

thẩm cao. Các trườ ng có mức không đổi xứng v ì có thêm vào m ột trường bao
quanh Ho, kết quả là làm méo dạng của sự thay đổi m ật độ từ thông, sẽ tác động
lên lõ i của cuộn dây cảm biến thứ cấp. Sự thay đổi không chính xác của B sẽ biến
đổi theo thờ i gian t nên không đối xứng theo trục thời gian, sẽ chứa nhiều hài
trong phân tích Fourier của nó. Ta có thể ước lượng các thành phần đầu vào như
sau:
B(t) = aíHo+He) + bíHo+He)3 + cíHo+He)5 (1.1)
V ớ i He là trư ờng kích thích và a, b, c là các hằng số.
Các hài bậc 3 và bậc cao hơn của B(t) được xem như là nhỏ hom hài bậc 2.
Với bộ lọ c thông dải thì hài bậc 2 của đầu ra được chọn để ưở thành một phép đo
của trường bao quanh Ho sau k hi so sánh nó vớ i m ột hài thứ cấp nhân tạo không bị
méo từ việ c nhân đ ô i tần số của đao động kích thích ban đầu. Nh iề u kỹ thuật xử lý
điện áp hài thứ cấp và cảm biến pha khác nhau được sử dụng để tính Hq.
Suất điện động ở lố i ra của cuộn thứ cấp là E ra:
E „=k.B c ẳ?-4Lf2-Ho 0-2)
dHe
Trong đó: f2 = 2 .fe
fe là tần số của trường kích thích.
B e, H e là cảm ứng từ và cường độ từ trường kích thích.
H 0: từ trường ngoài cần đo
|i: độ thẩm từ của lõi.
Ví dụ một sơ đồ nguyên lý của thiết bị
H ình 1.2. Từ kế lõ i bão hoà
Để đo đạc các tín hiệu yếu, ta phải thực hiện các bước đặc biệ t để tăng khả
năng tìm thấy hài thứ cấp. M ộ t phương pháp v í dụ là hai lõ i song song nhau được
tác động theo hai hướng ngược chiều nhau trong m ột mạch kích thích trường, tín
hiệu ra lấy trên m ộ t cuộn dây thứ cấp đơn bao quanh. H ai cuộn sơ cấp mấc xung
đối làm triệt tiêu tín hiệu trong trường hợp cân bàng. Sơ đồ khối của thiết bị được
mô tả trong hình 1.2, giúp phát hiện ra pha của hài thứ cấp. Với các lõi được lựa
chọn đặc biệt và có cấu trúc tốt thì độ nhạy có thể đạt được vài miligamma. Trong

những năm gần đây, các lõi được thiết kế lại cỏ hình dạng vòng với kích thước cỡ
centimet và các kích thích sẽ tác động lên vòng này.
Các thiết bị Fluxgate tương đối nhạy. Khi cần làm việc ở những nai có điện
trường thì Fluxgate thường được chọn lựa. Chúng thường được sử dụng trên các
vệ tinh và hàu hết trong các đài thiên văn hiện đại.
1.3. Sơ đồ khối của thiết bị [12]
H ìn h 1.3. Sơ đồ khố i của thiết bị phát hiện từ trường nhò
Phần quan trọng nhất của thiết b ị phát hiện từ trường nhỏ là đầu dò (hay
Sensor). M u ốn cho sensor hoạt động thì cần phải có m ột tín hiệu dòng xoay chiều
đủ công suất để nu ôi nó. D o đó, phải cần có kh ối phát xung. K h ối phát xung này
có tác dụng tạo ra các xung vuông nhằm cung cấp m ột công suất cho đầu dò hoạt
động. D ạng xun g sau kh ối phát xung này không đều đặn. M à để tạo ra dạng són2
sine thì ta cần phải có các xung đều đặn. V ì vậy, ta cần phải có kh ối chia tần để tạo
ra các xung vuông có độ trổng bằng Vĩ. Sau sensor là các kh ối khuếch đại tín hiệu
và khối xử lý. K h ố i khuếch đại cho phép khuếch đại các tín hiệu từ trường rất nhỏ.
K h ối xử lý có tác dụng chỉnh lưu tín hiệu xoay chiều thành m ột chiều. Sau kh ối xử
lý, tín hiệu được đưa ra kh ối chi th ị để hiển th ị các giá tr ị cần đo đạc. N ếu cần
chính xác cao, tín hiệu sau khối xử lý có thể được ghép nối với PC thông qua bộ
chuyển đ ổi A D C để có thể ghi tự động. K hố i ghép nối này cỏ thể sử đụng những
thiết bị có sẵn tron g các phòng thí nghiệm .
Khối phát xung [1, 6]
* M ạch phát xu ng dùng linh kiện chủ yếu:
L in h kiện chủ yếu của mạch phát xung là các IC 4011, được tạo thành tò
các mạch N A N D thuộ c loại CM O S.
M ạch phát xung làm việ c ờ tần số 10kHz.
Khối chia tần [8]
- M ạch ch ia tần sử dụng IC 4013 thuộc loại CM O S . K h ố i này sẽ thực hiện
được hai lần chia tần.
- M ụ c đích của k h ố i chia tần là để tạo ra các xung đều đặn, tức là các xung
vuông có độ trống bằng Vi. p 1

' 1 /
!•

- Mạch ch ia tần làm việc ở tần số 2,5kHz.
Khối tạo sóng sine và khối khuếch đại công suất [1]
- Ý nghĩa: Tạo sóng hình sine đơn sắc đủ công suất để nuôi Sensor.
- M ạch tạo sóng sine và khuếch đại công suất làm việc ở tần số 2,5kHz.
- Tần số xung sau k hố i chia tần và kh ối khuếch đại công suất này bằng
nhau như quan sát trên hình 1.4:
H ìn h 1.4. X u ng sau k hối chia tần và k hố i khuếch đại công suất
Sensor đo từ trường nhỏ (10]
- Sensor là bộ cảm nhận và chuyển đổi tín hiệu từ dạng này sang dạng khác
(như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng).
Đặc trưng s của sensor là hàm của đại lượng cần đo m, kh i ta xác định được
giá tr ị s, ta có thể tính được giá trị m thôrig qua biểu thức:
s = F(m) (1.3)
Trong đó: + s là đại lượng cần đo ở đẩu ra;
(đối với đàu dò từ trường nhỏ, s là tín hiệu điện áp).
+ m là đại lượng đầu vào;
(đối với đầu dò tò trường nhỏ, m là cảm ứng từ).
Biểu thức (1.3) phản ánh mối quan hệ giữa tín hiệu đầu ra của sensor phụ
thuộc vào cấu tạo của vật liệu làm sensor, môi trường và chế độ sử dụng.
- Đầu dò là bộ phận tiếp nhận sụ thay đổi của tín hiệu bên ngoài tác động
vào. Tín hiệu nhỏ gồm rất nhiều dạng như: nhiệt độ, áp suất, lực, độ dịch chuyển,
quang và nhiều loại tác động khác. Tuy nhiên, ở đây, chúng tôi sử dụng tín hiệu
nhò là tín hiệu từ trường. Coi như các tác động còn lại chỉ ảnh hưởng một phẩn rất
nhỏ không đáng kể đến két quả của phép đo, có thể bỏ qua.
- Mạch nguyên lý của đầu dò từ trường nhỏ được trình bày trên hình 1.5:
H ình 1.5. Đầu dò từ trường nhỏ (Sensor)

- M ô tả cấu tạo:
Đầu dò từ trường nhỏ được cấu tạo bởi 2 lá P ermaloi, m ỗi lá P ermaloi có
chiều dài 200(m m ), chiều rộng 5(m m) và dày 0,03(m m).
H ìn h 1.6. Cấu tạo sensor đo từ trường nhỏ
+ C uộn sơ cấp:
Bao gồm 2 cuộn đây được cuốn trên 2 lá perm aloi. Các cuộn dây này được
cuốn xung đ ối vớ i nhau. M ỗ i cuộn dây gồm 400 vòng, có kích thước 0,08(m m).
+ C uộn thứ cấp:
Cuộn thứ cấp được cuốn như hình vẽ. Cuộn thứ cấp có 600 vòng dây, kích
thước 0,0 1(m m ) bao xu ng quanh toàn bộ hai lá perm aloi và các cuộn dây sơ cấp.
SOTS OR
Thứ cap
Để đo đạc các tín hiệu từ trường yéu, ta phải thiết kế sensor có khả năng
đặc biệt để phát hiện hài thứ cấp. Ở đây, hai lõi song song nhau được tác động
theo hai hướng ngược chiều nhau trong một mạch kích thích trường, có cả một
cuộn dây thứ cấp đơn bao quanh. Hai cuộn sơ cấp sẽ mác xung đối làm triệt tiêu
tín hiệu trong trường hợp cân bàng, nhưng lại phát hiện ra pha của hài thứ cấp khi
có sự xuất hiện của từ trường ngoài.
Sự biến đổi tín hiệu ra của đầu dò theo vị tri dịch chuyển của mẫu được
quan sát trên dao động kí như ở hình 1.7:
- Nguyên lý:
m
H ình 1.7. D ạng xung sau đầu dò kh i thay đổi khoảng cách giữa mẫu và đầu dò
N hìn vào hình 1.7, ta thấy k h i thay đổi mẫu đo vào gần đầu dò từ trường nhỏ
thì độ rộng và b iên độ của xung ở lổi ra sau đầu đò sẽ tăng lên, nhưng tần số của
xung vẫn g iữ nguyên và bằng vớ i tần sổ của sóng sine sau khối khuếch đại côns
suất. Đ iề u này thể hiện sự thay đổi các sóng hài thu được ở lố i ra của đầu dò.
8
Khối khuếch đại tín hiệu [7], [9]
Tín hiệu ở lối ra khối khuếch đại:

Xr = K.Xv
Trong đó: K là hệ số khuếch đại
XR và Xv là các giá trị đầu ra và đàu vào
Công suất đầu ra của mạch khuếch đại lớn hom công suất đầu vào. Nhờ có
khuếch đại, độ nhạy của thiết bị đo được tăng lên rất nhiều lần, cho phép phát hiện
được giá ứị của các tín hiệu rất nhỏ.
- Khối khuếch đại tín hiệu có hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại tín
hiệu này cỡ vài trăm lần.
+ Linh kiện chủ yếu của khối khuếch đại công suất là các IC TL082.
+ Các tầng khuếch đại trong mạch đuợc phân cách bằng tụ để tránh hiện
tượng trô i mức m ột chiều.
+ Các tầng thứ 2 và thứ 4 có mạch điều chinh mức điện áp m ột chiều.
Khối xử lý [13], [14]
- K h ố i xử lý tín hiệu trong thiết bị sử dụng mạch khuếch đại chỉnh lưu, có
nhiệm vụ biến đổi tú i hiệu xoay chiều thu được ở lố i ra của k hối khuếch đại tín
hiệu sang tín hiệu m ộ t chiều để dễ dàng chỉ th ị và đánh giá.
M ạ ch chinh lưu tốt phải là mạch có hiệu suất (ti số giữa công suất đầu ra và
công suất hữu ích đầu vào) cao, ít phụ thuộc vào tải, độ gựn sóng của điện áp ra
m ột chiều là nhỏ.
- Tín hiệu sau khối xử lý là tín hiệu m ột chiều [16], [17].
Khối chỉ thị [4], [9]
- K h ố i chỉ thị hay chính xác là bộ biến đổi A na lo g - D ig ita l, có nhiệm vụ
biến đổi tín hiệu (sau k hối xử ỉý và khố i khuếch đại) từ dạng tương tự sang dạng
số để hiển th ị lên bảng điện tử dạng số.
- về nguyên lý thì có 3 phương pháp biến đổi:
+ Phương pháp song song
+ Phương pháp trọng số
+ Phương pháp số
9
- Có thể chi thị bằng đồng hồ hiện số đa năng, hoặc cũng có thể đưa thiết bị

phát hiện từ trường nhỏ này ghép nối với máy tính để đo tự động (trình bày ờ
chương sau)
- Các khối mạch điện tử lắp ráp của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ được
thể hiện trên hình 1.8:
H ình 1.8. K h ố i mạch điện tử lắp ráp
K h ổ i m ạch điện tử của thiết b ị phát hiện từ trường nhỏ bao gồm 2 panel:
+ Panel 1 bao gồm các kh ối: khố i phát xung, khối chia tần, kh ối tạo sóng
sine và k hố i khuếch đại công suất.
+ Panel 2 bao gồm các kh ối: khố i khuếch đại và kh ối xử lý.
N ố i giữa hai panel là đầu dò từ trường nhỏ.
- T hiết b ị phát hiện từ trường nhỏ được thể hiện trên hình 1.9:
10
H ình 1.9. T h iế t bị phát hiện tò trường nhỏ
11
CHƯƠNG II
HỆ THÓNG GHÉP NỐI VỚI MÁY TÍNH
ứ n g dụng công nghệ thông tin vào các hệ thống điều khiển, tự động, đo
lường, đã g iúp cho quá trìn h thu nhận và xử lý dữ liệu từ sensor được tự động hoá.
Các bộ v i xử lý cũng được sử dụng rộng rãi đã tạo ra thé hệ sensor thông m in h và
lin h hoạt hơn nhiều. M uố n vậy, cần thực hiện biến đổi số các tín hiệu từ đầu ra
của sensor sang dạng số để đưa sang ghép nối vớ i phàn cứng của máy tính thông
qua các cổng giao tiếp U S B, C O M , v .v [8], [11].
2.1 Khối phần cứng
T hiế t b ị ghép nối đầu đo vớ i máy tính bao gồm các khố i :
- K h ố i khuếch đại
- K h ố i v i điều khiể n
- K h ố i giao tiếp với máy tính
- K h ố i nguồn
Sơ đồ tổng thể các khố i của thiết bị ghép nối đầu đo vớ i máy tính đuợc
trìn h bầy trên hình 2.1.

Khối khuếch đại
12
Khối khuếch đại đầu vào có 3 lố i: lối vào 1, lối vào 2 và lối vào 3.
Lôi vào 1 và lối vào 2 được mắc theo nguyên lý khuếch đại thẳng, sử dụng
mạch khuếch đại thuật toán LM324 ( hình 2.2).
, Lối vào 3 sử dụng khuếch đại thuật toán LM324, mắc theo nguyên lý
khuếch đại vi sai (hình 2.3).
H ìn h 2.3. M ạch khuếch đại cho lố i vào 3
L ố i vào 1 và 2 khuyếch đại điện thế lố i vào và lố i ra được đưa vào v i điểu
kh iển để chuyển đổi tương tự sang số 10 b í t .
Hệ số khuyếch đại K= 1 + VR/R5
T ro ng đó: V R được thay đổi bới VR1 và VR 2 (từ OQ đến 100K Q )
ụ. u
R5=10KQ
Khi đó Vout = 5v(R4/(R9+R4)) + v in* K.
Lối vào 3 là một mạch khuyếch đại vi sai với hệ số khuyếch đại:
K = V R /R ,2
Trong đó: VR được thay đổi bởi VR3
R i2=10KQ
Khi đó: Vout = v in * K
Vói: v in = hiệu điện thế giữa 2 lối vào của lối vào 3
Khối vi điều khiển
Vi điều khiển được sử dụng là AtMega8 ( hình 2.4 ).
S1
-Ị i
"SW-PB0-
C7
\R20
.lũk
104

C9
lb p fĩ
CIO T
OT2
8MHz
2 2 p
l
5
21
PCí(mESET)'
PCO (ADC0)
PCI (ADC1)
PC2 (ADC2)
PC3 (ADC3)
PC4 (ADC4/SDA)
PCJ (ADC5/SCL)
PB6 (XT A L irrosci)
PDO(RXD)
PB7 (XTAL2/TOSC2)
PDl(TXD)
PD2 ONTO)
PD3 (INTI)
AVCC
PD4 (XCK/TO)
AREF
PDÍ (T l)
PD6 (AINO)
PD7CAIN1)
PBO (ICP1)
PB I(OCIA)

7CC
PE2 (SSA5C1B)
vc c PB3 (MOSIJOC2)
PB4 (MISO)
AGND PB5 (SCK)
GND
GND ADCS
ADC7
23
S2
24 A PCI
25 ADC2
26 ADC3
27 PC4
28 PCÍ
30
31
32 PD2
1 1 PD3
2
PD4
D2
9
)3
10
11
12
1
13
&Ỉ

14
15
MOSI
16 "MIĨO
17
~SCK
19 ADCf
22 "ADC"
H ìn h 2.4. Sơ đồ chân A tm eg a8
K h ố i này có nhiệm vụ nhận tín hiệu A nalog từ 3 bộ khuyếch đại để chuyển
đổi sang dạng d ig ita l 10 bits. Sau đó truyền dữ liệu lên m áy tính.
Chuyển đổi A D C được tự động trên vi điều khiển vớ i tần số lấy mẫu được
định thời bàng một tim e r với tần số lấy mẫu cho m ỗi kênh là lOOhz.
14
sau:
Giá trị ADC nhận được sẽ được quy đổi ra điện thế như sau:
VỊN ■ 1024
A D C = JÎL-L

VREF
Với: ADC là giá trị mà vi điều khiển đã chuyển đổi đirợc ( hình 2.5 )
Vref = 5V
Vqgr Input Voltage
Hình 2.5. Quy đổi tín hiệu
Tru yền dữ liệ u lẻn máy tính bằng 6 byte. M ỗ i byte được mã hóa như sau:
IP IP IP Data Data Data Data Data
N hư vậ y để truyền 6 byte dữ liệu của 3 lối vào ta lần lượt đánh đấu như
Data lố i vào 1 :
+ 5 b it thấp của dữ liệu
0

0 0 Data Data Data
Data Data
+ 5 b it cao của dữ liêu
0 0
1 Data Data Data Data
Data
Data lố i vào 2:
+ 5 b it thấp của dữ liệu
0 1
0 Data Data Data Data Data
+ 5 b it cao của dữ liêu
0 1
1
Data Data Data Data
Data
Data lố i vào 3:
+ 5 b it thấp của dữ liệu
1
0 0
Data
Data Data Data Data
+ 5 b it cao của dữ liệu
1
0
1
Data Data
Data Data Data
15
Dữ liệu chi được truyền từ vi điều khiển lên máy tính khi máy tính ra lệnh hỏi
dữ liệu bằng một mã lệnh hỏi

Dữ liệu được truyền qua cổng truyền thông USB theo chuẩn:
RS232 - visualCOM
Hình 2.6. Panel tổng thể thiết bị ghép nối đầu đo với máy tính
Khối giao tiếp với máy tính
Khối giao tiếp vi điều khiển với máy tính dùng chuẩn visualCOM bàng
mạch USB to COM.
Khối nguồn
K h ố i này vừa làm nhiệm vụ cung cấp nguồn 5 V từ cổng U SB cho toàn
mạch điện nhưng đồng thờ i nó cũng là đường truyền tín hiệu giữa mạch với máy
tính.
Panel tổng thể của thiết bị ghép n ối đầu đo với máy tính được trìn h bầy trên
hình 2 .6.
2.2 Giao diện phần mềm
M ã nguồn được v iế t trên Visual Basic. G iao diện gồm 2 phần chính:
+ Giao diện chính gồm 2 đồ thị để hiển th ị đồ th ị và các phím chức năns
+ Giao diện cài đặt hệ thống
G iao điện chính thực hiện trên màn hình m áy vi tính được trìn h bầy như
trên hình 2.7.
16
Giao diện chính
Tổng số mẫu thu được
Giá tri A DC tai lối vào 1
Giá tri AD C tai lối vào 2
/G iá tri ADC tai lối vào 3
li cni 1 ' diođc
Ịg&
‘ - C i '. r
H ình 2.7. Giao diện chính
Giao diện chính gồm 2 đồ th ị hiển thị m ối quan hệ của y theo X vớ i X và y
là nguồn dữ liệ u có thể thay đổi đựơc tùy vào cài đặt trong hệ thống.

Các nút nhấn Connect J để kết n ối mạch điện vớ i phần mềm trên máy tính
N ú i Pause xuất hiện khi phím Connect I được nhấn. Đẻ tạm thời cập
nhật dữ liệu từ mạch điện lên máy tính
Các menu tắt:
a - lưu dữ liệu 113- - đồ thị dạng N orm a l
TỈ” I - xem p ixel của đồ th ị
M - kéo dịch đồ th ị theo hai hướng X và y
k i - zoom đồ thị
______________________________ 17
pAi HỌC QUOC GiA hA NỌ|
Tf?UNG Tâm thõng tin thư viện
m ì m o ■_
©xt6 ficorinbo
Combo
Combo
BS5?Kĩ?nỉ
Giao diện cài đặt hệ thống
tọa độ trục X
tọa độ trục Y
nguồn dữ liệu cùa trục X và Y
1
Hình 2.8. Giao diện cài đặt hệ thống
thời gian update dữ liệu
Các hàm chính trong chưorng trình
Giao điện cài đặt hệ thống được trình bầy trên hình 2.8 .
Chương trình được xẩy ra theo sự kiện, ví dụ : sự kiện phím — <~'°iu ie ct—
được clic k.
-H àm chọn và cài đặt truyền thông visual com
M ạch giao tiế p vớ i m áy tính qua cổng USB theo chuẩn visual com
M ặ c định của chương trìn h là C O M I

K h i có sự thay đổi cổng com thì hệ thống sẽ được cài đặt lại qua hàm
seíting_com().
K h i đột nhiên có m ột cổng com được kết n ổi với máy tính hệ thông sẽ tự
nhận dạng bàng hàm ValidatePortQ
-H àm cài đặt đồ thị
G ồm 2 hàm cho 2 đồ thị graphl_setup() và graph2_setup0
-Hàm nhận dữ liệ u
M ỗ i k h i có dữ liệ u được truyền lên máy tính thì chương trình sẽ được nhảy
tới hàm MSComml_OnCommQ, giống như là m ột ngắt nhận dữ liệu.
D ữ liệ u được mã hóa như sau:
- D o cổng C O M tru yền nhận 8 b it trong kh i đó dữ liệu cùa giá trị A D C là 10
bít nên ta cần truyền có đánh dấu để đảm bảo sự đồng bộ.
18