chuyển đổi máy tính thành dao động ký số hai kênh

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ 5 -2006
Trang 21
CHUYỂN ĐỔI MÁY TÍNH THÀNH DAO ĐỘNG KÝ SỐ HAI KÊNH
Nguyễn Trường An, Phạm Thị Thu Phương, Huỳnh Hữu Thuận, Nguyễn Hữu Phương
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG – HCM
(Bài nhận ngày 01 tháng 12 năm 2005, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 05 năm 2006)

TÓM TẮT:

Dao động ký hai kênh (Two-channel oscilloscope) là thiết bị đo điện tử quan
trọng và phổ biến, nó hiển thị dạng sóng và một số đặc tính khác của các tín hiệu. Có hai loại
dao động ký: tương tự và số. Dao động ký số ưu việt hơn loại tương tự nhưng ít phổ biến vì giá
cao. Bài báo trình bày cách thức chuyển đổi máy tính PC thành dao động ký số hai kênh, gồm
phần cứng là mạch thu nhận dữ liệu tự thiết k
ế và phần mềm là tập nhiều chương trình viết
bằng ngôn ngữ Visual C
++
.


1. GIỚI THIỆU
Dao động ký hai kênh (Two-channel oscilloscope) là thiết bị rất cần thiết và khá phổ biến
trong các phòng thí nghiệm điện tử và các phòng thí nghiệm khác. Nhưng dao động ký số hai
kênh ít phổ biến hơn vì giá cao dù có nhiều ưu điểm, đặc biệt là khả năng đo, lưu trữ và xử lý
dữ liệu. Mặt khác máy tính PC đã sẵn có khả năng cao về xử lý, lưu trữ và hiển thị. Do đó vấn
đề là thiết kế
mạch thu nhận dữ liệu (DAQ) giao tiếp với máy tính và trang bị các phần mềm
cần thiết. Đã có nhiều card DAQ và phần mềm như vậy, điển hình nhất có lẽ là thiết bị và phần
mềm LabView của hãng National Instruments (Mỹ). Ở đây, để giảm giá thành xuống mức thấp
nhất chúng tôi tự nghiên cứu phát triển phần cứng và phần mềm.
Phần còn lại của bài báo như sau. Mục 2: Thu nhận d

ữ liệu, mục 3: Hiển thị dạng sóng và
dữ liệu đo, mục 4: Tính toán tham số của tín hiệu, mục 5: Phân tích tần phổ, mục 6: Lưu trữ dữ
liệu, và mục 7: Kết luận. Do giới hạn không gian nên nhiều giải thuật chương trình và hình
minh họa bị bỏ bớt nhiều.
2. THU NHẬN DỮ LIỆU
Hình 1 là sơ đồ khối trình bày nguyên lý của card thu nhận dữ liệu (DAQ) để chuyển đổi
máy tính thành dao động ký số hai kênh. Việc giao tiếp thực hiện qua bus ISA
















Hình 1: Sơ đồ khối nguyên lý của card thu nhận dữ liệu


Vi

Kênh A
Phân tầm và

lọc
AD
Vi điều khiển kênh
A
Bộ
đệm



B
U
S

I
S
A
Dữ
liệu
Giải mã địa
chỉ
Địa
chỉ
Vi

Kênh B
Phân tầm và
lọc
AD
Vi điều khiển
kênh B

Bộ
đệm
Dữ
liệu

Science & Technology Development, Vol 9, No.5 - 2006
Trang 22
2.1 Mô tả mạch

Đầu tiên, tín hiệu vào ở kênh A hoặc B sẽ đến mạch phân tầm tự động (autoranging), phân
ra các tầm đo khác nhau và qua lọc thông thấp. Mạch phân tầm là mạch khuếch đại có độ lợi
thay đổi tùy theo khoảng biên độ tín hiệu vào. Việc này là cần thiết để tăng độ phân giải trong
lúc phải phù hợp với độ dài dữ liệu. Biên độ tín hiệu vào Vi được phân thành 3 tầm khác nhau
như sau:

Tầm Khoảng biên độ Mã số tầm
X5 Vi < 0,5V 0 0
X1 0,5V< Vi < 2,5V
0 1
1 0
÷5 2,5V < Vi < 12,5V 1 1

Tín hiệu ra khỏi mạch phân tầm sẽ qua mạch lọc thông thấp Butterworth bậc 5. Sau mạch
lọc là mạch cộng để cộng thêm vào tín hiệu điện áp DC 2,5 Volt (gọi mạch chuyển mức điện áp
một chiều – DC level shifter), lý do là mạch chuyển đổi tương tự – sang số (ADC) AD7875
thuộc loại có điện áp vào đơn cực 0 – 5V.
Sau đó, tín hiệu ngõ ra sẽ được AD7875 chuyển đổi sang số, đây là mạch 12 bit, tố
c độ 100
kS/s và, đặc biệt, đã tích hợp mạch Track-and-Hold. AD7875 được điều khiển bởi vi điều khiển

AT89C2051. Dữ liệu ra cùng với mã số phân tầm (2 bit) và bit trạng thái từ vi điều khiển được
đưa đến bộ đệm để vào máy tính qua bus ISA. Bộ giải mã địa chỉ xác định địa chỉ cho các bộ
đệm, đây là địa chỉ đọc dữ liệu.
Hình 2a và 2b là sơ đồ mạch đầ
y đủ.

2.2 Phần mềm giao tiếp
Trước khi vào chương trình, phần mềm yêu cầu xác nhận đã có phần cứng gắn vào bus ISA
chưa. Nếu đã có phần cứng thì bấm OK để vào chương trình chính.

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ 5 - 2006
Trang 23
-12V
C2
220p
1
2
+5V
R20
1k
21
AGND
AGND
GAINA1
C3
1n
1
2
U3B
74LS393
13
12
11
10
9
8
14
7
A
CLR

QA
QB
QC
QD
VCC
GND
CHANNEL B
VrefClock
GAINA1
-
+
U6B
TL084
5
6
7
4 11
C19
2.2n
12
R29
20k
21
+12V
DGND
R54
RESISTOR VAR
1 3
2
R24

680k
2
1
AGND
GAINB2
C20
270p
12
LOW-PASS FILTER
R13
20k
21
C14
220p
1
2
AGND
C46
1n
1 2
-12V
R47
1M
21
+12V
-12V
C18
1n
12
R10

10k
21
+5V
AGND
-
+
U6D
TL084
12
13
14
4 11
R16
1k
21
C37
1n
1 2
R6
20k
21
AGND
-
+
U6C
TL084
10
9
8
4 11

R3
20k
21
-12V
R23
1M
21
R1
680k
2
1
AGND
+12V
R28
RESISTOR VAR
1 3
2
+5V
+12V
C44
104
1 2
AGND
AGND
+5V
+5V
U2
74HC4052
12
14

15
11
1
5
2
4
6
10
9
133
16
8
7
X0
X1
X2
X3
Y0
Y1
Y2
Y3
INH
A
B
XY
VDD
VSS
VEE
C39
104

1 2
AGND
AGND
R43
1k
21
J1
BNC
1
2
AGND
C6
1n
12
-
+
U1D
TL084
12
13
14
4 11
+5V
-12V
C16
150p
1
2
AGND
-12V

C42
104
12
-
+
U1B
TL084
5
6
7
4 11
LEVEL SHIFTER
AGND
R34
10k
21
INPUTS
LOW-PASS FILTER
DGND
AGND
-
+
U13B
TL084
5
6
7
4 11
R11
10k

21
-
+
U6A
TL084
3
2
1
4 11
C41
1n
1 2
CHANNEL A
AUTORANGING
J2
BNC
1
2
D5
ZENERBReset
1 2
C1
1u
12
-
+
U13A
TL084
3
2

1
4 11
-
+
U13D
TL084
12
13
14
4 11
AGND
C17
150p
1
2
R38
10k
21
AGND
+5V
-12V
-12V
-12V
R32
1 3
2
+12V
+12V
-12V
R8

20k
21
R41
1k
21
AGND
+12V
C10
1u
12
C15
1n
1
2
R5
1k
2 1
+12V
AGND
R40
1k
21
-12V
U3A
74LS393
1
2
3
4
5

6
14
7
A
CLR
QA
QB
QC
QD
VCC
GND
AGND
-
+
U7
OP07
3
2
6
7 4
81
R44
1k
21
-
+
U8
OP07
3
2

6
7 4
81
C4
150p
1
2
+5V
-5V
-
+
U15
OP07
3
2
6
7 4
81
AGND
AGND
LEVEL SHIFTER
+12V
GAINB1
AGND
-12V
+12V
+12V
-
+
U1A

TL084
3
2
1
4 11
AGND
AGND
R30
4k
21
C45
104
12
AUTORANGING
-12V
C47
1n
12
R26
20k
21
C40
104
1 2
C21
150p
12
+12V
AGND
VrefReset

-12V
C8
270p
12
AGND
+12V
-
+
U14
OP07
3
2
6
7 4
81
VrefReset
+5V
D4
DIODEB
12
VrefClock
GAINA2
D1
DIODEA
12
R9
20k
21
R37
20k

21
KENHA
-
+
U13C
TL084
10
9
8
4 11
C43
104
1 2
+12V
R4
30k
2 1
R33
10k
21
R39
1k
21
C38
1n
1 2
-12V
-
+
U1C

TL084
10
9
8
4 11
R15
1k
21
C7
2.2n
12
AGND
-12V
R53
RESISTOR VAR
1 3
2
R42
10k
21
AGND
C9
150p
12
D6
ZENERBClock
1 2
R19
1k
21

R27
RESISTOR VAR
1 3
2
+5V
R17
1k
21
R31
1 3
2
AGND
GAINB2
GAINA2
+12V
R2
100k
21
R14
10k
21
AGND
GAINB1
-5V
R18
10k
21
U12
74HC4052
12

14
15
11
1
5
2
4
6
10
9
133
16
8
7
X0
X1
X2
X3
Y0
Y1
Y2
Y3
INH
A
B
XY
VDD
VSS
VEE
D2

ZENERAReset
1 2
AGND
AGND
R7
4k
21
C5
150p
1
2
R25
100k
21
KENHB
D3
ZENERAClock
1 2
AGND
AGND
+12V


Hình 2a: Khối xử lý số và giao tiếp máy tính


Science & Technology Development, Vol 9, No.5 - 2006
Trang 24
GAINA1
DATA12

+12V
+5V
D7
LEDA
1 2
C23
1n
1 2
C32
104
1 2
DA1
+5V
RD+CSB
C54
10u
1 2
RESETA
DA1
R49
1k
21
LEDA2
KENHA
AddLe1
C49
2200u
1 2
DATA3
ADD2

ADD6
ADDRESSB
DA10
DA7
RD+CSA
C13
33p
1 2
U10
AT89C2051/SO
1
10
20
5
4
12
13
14
15
16
17
18
19
2
3
6
7
8
9
11

RST/VPP
GND
VCC
XTAL1
XTAL2
P1.0/AIN0
P1.1/AIN1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.7
DGND
ADD8
DGND
JP1
HEADER 5
1
2
3
4
5

DGND
D8
LEDB
1 2
DA3
AGND
C22
1n
1
2
U4
AT89C2051/SO
1
10
20
5
4
12
13
14
15
16
17
18
19
2
3
6
7
8

9
11
RST/VPP
GND
VCC
XTAL1
XTAL2
P1.0/AIN0
P1.1/AIN1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.7
U18B
74LS08
4
5
6
147
Y1
24MHz

12
+5V
DB4
DATA12
ADDRESSA
ADD2
ADDRESSB
BUSYA
C12
104
1
2
GAINB2
AddChan1
DA5
U19
74HC688
1
10
19
20
3
5
7
9
12
14
16
18
2

4
6
8
11
13
15
17
OE
GND
P=Q
VCC
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
P0
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
+5V
LEDB1
AphatBnhan

Vin1
DB8
U9
4053
12
13
2
1
5
3
6
11
10
9
14
15
4
16
8
7
X0
X1
Y0
Y1
Z0
Z1
INH
A
B
C

X
Y
Z
VDD
VSS
VEE
AGND
Vin2
U17A
74LS32
1
2
3
147
DATA6
ADD4
U17B
74LS32
4
5
6
147
U11
AD7875
20
18
16
15
14
13

11
10
9
8
7
6
5
42
19
21
17
12
3
22
23
1
24
VIN
AGND
DB0/DB8
DB1/DB9
DB2/DB10
DB3/DB11
DB4/LOW
DB5/LOW
DB6/LOW
DB7/LOW
DB8/SDATA
DB9/SCLK
DB10/SSTRB

DB11/HBENBUSY/INT
REFOUT
-VCC
VCC
GND
CLK
12/8/CLK
CONVST
RD
CS
LEDAB2
IOW
NGAT0
C25
104
1 2
C35
1u
1 2
DATA14
DATASTSA
ADD6
IOW
U18C
74LS08
9
10
8
147
DATA14

DATA9
MULTIPLEXER
DATA11
DA4
+5V
ADD9
DA11
DB11
-5V
LEDAB2
D9
LEDAB
1 2
C51
2200u
1 2
C56
10u
1 2
-12V
LEDAB1
AddChan1
+5V
C28
104
1 2
C36
1u
1 2
C52

1000u
1 2
DATA0
ADD5
ADDRESSA
+5V
DATA10
uC_IOCS16
KENHA
AGND
BUSYB
NGAT1
DA2
DB9
DGND
DGND
C57
1u
1 2
AGND
AGND
+5V
CONVERTA
-5V
DB9
VCC
DATA15
DATA15
NGAT1
-5V

U18D
74LS08
12
13
11
147
NGAT0
IOR
Vin1
DA2
DGND
KENHB
+5V
C33
104
1 2
-5V
DATA7
DATA5
BphatAnhan
DB2
DGND
+12V
DATA3
-12V
R50
1k
21
C48
10u

1 2
DB3
C30
104
1 2
JP2
HEADER 3
1
2
3
DB1
DA0
DGND
+12V
DATASTSB
SELECTB
NGAT1
+5V
NGAT0
ADDRESSA
+5V
MICRO-CONTROLLER
DUTRUA
R51
1k
21
-12V
ADD7
R36
8k2

2 1
U17C
74LS32
9
10
8
147
DB8
ADD7
R48
RESISTOR SIP 9
1 2
3
4
5
6
7
8
9
DA9
DATA8
DATA5
LEDB2
BphatAnhan
ADD1
+5V
DA11
DGND
XTAL2
ADDRESSA

RD+CSA
16 BITS CONTROL
G2AB
AGND
-5V
SELECTA
LEDB1
AEN
IOCS16
+5V
Vin2
DGND
DATA8
DA10
AGND
C55
10u
1 2
C27
104
1 2
U22
74LS244
2
4
6
8
1
18
16

14
12
20
10
11
13
15
17
9
7
5
3
19
A1
A2
A3
A4
1OE
Y1
Y2
Y3
Y4
VCC
GND
A5
A6
A7
A8
Y5
Y6

Y7
Y8
2OE
ADD0
CONVERTA
D/K_IOCS16
DGND
DATA0
DGND
DGND
U16
74LS138
1
2
3
6
4
5
15
14
13
12
11
10
9
7
16
8
A
B

C
G1
G2A
G2B
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
VCC
GND
C58
1u
1 2
DUTRUB
DATA11
DUTRUA
DATA10
-5V
CONVERTB
RD+CSB
RESETA
+5V
DB6
XTAL2
XTAL
DATA14

DATA4
ADDRESSB
LED INDICATORS
U18A
74LS08
1
2
3
147
DATA15
AddChan2
+5V
U23
74LS244
2
4
6
8
1
18
16
14
12
20
10
11
13
15
17
9

7
5
3
19
A1
A2
A3
A4
1OE
Y1
Y2
Y3
Y4
VCC
GND
A5
A6
A7
A8
Y5
Y6
Y7
Y8
2OE
DATA13
DB11
AGND
DGND
ADDRESSA
ADD5

C29
104
1 2
LEDA1
AGND
AphatBnhan
KENHB
XTAL2
DATA9
DGND
+5V
DB5
DATASTSB
ADDRESSB
uC_IOCS16
DATA4
LEDAB1
LEDB2
ADD8
AddLe1
+5V
DGND
C59
1u
1 2
CONVERTB
BUFFER
GND
DB2
+5V

DGND
-5V
XTAL1
C53
10u
1 2
DATA3
DA4
LEDA1
DA6
AGND
DATA8
GAINA2
DB6
ADC
DA9
AEN
ADD0
+5V
DB7
DATA10
SELECTA
ADD9
DB0
IOR
DA3
DA8
+5V
U17D
74LS32

12
13
11
147
DATA2
DATA2
ADD3
U21
PC AT BUS
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42

44
46
48
50
52
54
56
58
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
1
3

5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
41
43
45
47
49
51
53
55
57
59
61
63

65
67
69
71
73
75
77
79
81
83
85
87
89
91
93
95
97
B01 GND
B02 RESET
B03 +5V
B04 IRQ9
B05 -5V
B06 DRQ2
B07 -12V
B08 SRDY
B09 +12V
B10 GND
B11 SMEMW
B12 SMEMR
B13 IOW

B14 IOR
B15 DACK3
B16 DRQ3
B17 DACK1
B18 DRQ1
B19 REFRESH
B20 SYSCLK
B21 IRQ7
B22 IRQ6
B23 IRQ5
B24 IRQ4
B25 IRQ3
B26 DACK2
B27 TC
B28 BALE
B29 +5V
B30 OSC
B31 GND
D01 MEMCS16
D02 IOCS16
D03 IRQ10
D04 IRQ11
D05 IRQ12
D06 IRQ15
D07 IRQ14
D08 DACK0
D09 DRQ0
D10 DACK5
D11 DRQ5
D12 DACK6

D13 DRQ6
D14 DACK7
D15 DRQ7
D16 +5V
D17 MASTER
D18 GND
IOCHCHK A01
SD7 A02
SD6 A03
SD5 A04
SD4 A05
SD3 A06
SD2 A07
SD1 A08
SD0 A09
IOCHRDY A10
AEN A11
SA19 A12
SA18 A13
SA17 A14
SA16 A15
SA15 A16
SA14 A17
SA13 A18
SA12 A19
SA11 A20
SA10 A21
SA9 A22
SA8 A23
SA7 A24

SA6 A25
SA5 A26
SA4 A27
SA3 A28
SA2 A29
SA1 A30
SA0 A31
SBHE C01
LA23 C02
LA22 C03
LA21 C04
LA20 C05
LA19 C06
LA18 C07
LA17 C08
MEMR C09
MEMW C10
SD8 C11
SD9 C12
SD10 C13
SD11 C14
SD12 C15
SD13 C16
SD14 C17
SD15 C18
DATA1
AGND
DB7
C24
104

1
2
XTAL1
DGND
DGND
DATA5
IOCS16
DATA13
RESETA
DB1
U5
AD7875
20
18
16
15
14
13
11
10
9
8
7
6
5
42
19
21
17
12

3
22
23
1
24
VIN
AGND
DB0/DB8
DB1/DB9
DB2/DB10
DB3/DB11
DB4/LOW
DB5/LOW
DB6/LOW
DB7/LOW
DB8/SDATA
DB9/SCLK
DB10/SSTRB
DB11/HBENBUSY/INT
REFOUT
-VCC
VCC
GND
CLK
12/8/CLK
CONVST
RD
CS
LEDA2
DB10

ADDRESS DECODER
-12V
DATA13
ADDRESSB
DB3
ADD4
BUSYB
U25
74LS244
2
4
6
8
1
18
16
14
12
20
10
11
13
15
17
9
7
5
3
19
A1

A2
A3
A4
1OE
Y1
Y2
Y3
Y4
VCC
GND
A5
A6
A7
A8
Y5
Y6
Y7
Y8
2OE
ADDRESSB
IOW
DB4
-5V
DGND
U20
74LS244
2
4
6
8

1
18
16
14
12
20
10
11
13
15
17
9
7
5
3
19
A1
A2
A3
A4
1OE
Y1
Y2
Y3
Y4
VCC
GND
A5
A6
A7

A8
Y5
Y6
Y7
Y8
2OE
AddChan2
DGND
J3
DIPSOC-8x2/SM
1
2
3
4
5
6
7
8
16
15
14
13
12
11
10
9
ADDRESSA
-5V
DB10
DGND

ADD3
+5V
ISA BUS
DA5
DB0
+5V
DGND
DATA6
RD+CSA
AddLe2
DA7
DA0
D/K_IOCS16
DATASTSA
DUTRUB
ADD1
BUSYA
+12V
IOR
DA6
DGND
XTAL1
SELECTB
RD+CSB
DB5
C34
104
1 2
RESET
DATA4

DATA0
C50
1000u
1 2 C26
104
1 2
POWER CONNECTOR
DATA1
GAINB1
C31
104
1 2
DATA2
DATA11
C11
33p
1 2
DATA9
DATA7
DATA6
AddLe2
+5V
DA8
DGND
DATA7
DATA1
C60
1u
1 2
DATA12

+5V



Hình 2b. Khối xử lý số và giao tiếp máy tính của mạch thu nhận dữ liệu

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 9, SỐ 5 - 2006
Trang 25
Hình 3 là giao diện Oscilloscope.



Hình 3 Giao diện Oscilloscope

•
Nút Run:
Khi muốn chạy chương trình, xem dữ liệu trên màn hình, ta bấm nút Run, hoặc vào menu
Capture/Run.

•
Nút Stop:
Khi muốn dừng việc lấy dữ liệu vào, bấm nút Stop hoặc vào menu Capture/Stop.

•
Lấy dữ liệu:
Dữ liệu của kênh 1 và kênh 2 được nhập vào hai mảng dữ liệu khác nhau.
3. HIỂN THỊ DẠNG SÓNG VÀ DỮ LIỆU ĐO
Việc vẽ tín hiệu ra màn hình chỉ là việc đưa dữ liệu tương ứng nhận được ra một vị trí xác
định trên màn hình. Để điều khiển, kiểm soát được biên độ, thời gian, ta phải chuyển dữ liệu
vào các giai xác định. Hình 4 là giải thuật.