ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ Bùi Văn Thắng XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO ĐỘ LỆCH PHA CỦA TÍN HIỆU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Ngành : Vô tuyến điển tử Lời cảm ơn LỜI CÁM ƠN Trong suốt thời gian học tập trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên thầy quan tâm bảo tạo điều kiện thuận lợi để học tập Với đề tài khóa luận “Xây dựng thiết bị đo độ lệch pha tín hiệu ” có hội vận dụng kiến thức mở rộng vốn hiểu biết để áp dụng cho công việc tương lai Để hoàn thành khóa luận, giúp đỡ nhiệt tình thầy cô, gia đình bạn bè Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn lòng kính trọng tới tất thể cá nhân tạo điều kiện giúp đỡ suốt thời gian học tập nghiên cứu Trước hết xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Võ Lý Thanh Hà, người trực tiếp hướng dẫn suốt trình nghiên cứu hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn gái động viên, chia sẻ, nhiệt tình giúp đỡ ủng hộ suốt trình học tập nghiên cứu Mặc dù có nhiều cố gắng nhiều hạn chế mặt lý luận thực tiễn nên khóa luận nhiều thiếu sót.Tôi mong góp ý thầy cô giáo bạn để khóa luận hoàn thiên Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 25 tháng 05 năm 2011 Sinh viên Bùi Văn Thắng Mở đầu Trong thời kỳ công nghiệp hóa, đại hóa đại hóa đất nước, Việt Nam trọng đến việc phát triển lĩnh vực tự động hóa, công nghệ thông tin, điện tử viễn thông Một ngành quan tâm phát triển mạnh mẽ vô tuyến điện tử, ngành đào tạo chuyên sâu trường đại học, viện nghiên cứu nước Trong thông tin liên lạc, điều khiển đo đạc tín hiệu cần độ xác cao Các tín hiệu cần phải phân tích xử lý cách xác để phục vụ mục đích người Từ xa xưa người vận dụng việc nghe âm tiếng vó ngựa cách xa hàng trăm mét truyền mặt đất để xách định khoảng cách từ nơi họ nghe tới vị trí có tiếng vó ngựa Ngày trung tâm khoa học chế tạo nhiều công cụ, máy móc để đo đạc tín hiệu trình lan truyền để ứng dụng đo khoảng cách, địa hình số yếu tố khác xác Tín hiệu đo đạc không đơn tín hiệu âm xưa mà nhiều loại tín hiệu như: dao động học, tín hiệu điện…Con người thành công sử dụng tín hiệu để thực đo đạc, xác định vị trí nhiều lĩnh vực khác Trong lĩnh vực đo đạc vị trí vật môi trường, đo khoảng cách, đo thời gian, đo độ lệch pha tín hiệu sử dụng hiệu Vậy sử dụng tín hiệu để đo đạc lại hiệu thế? Trước tiên ta cần hiểu tín hiệu gì? Nguyên tắc để đo đạc tín hiệu nào? Tín hiệu phân tích theo chuỗi Fourier có dạng hình sin, tín hiệu tổng hợp bao gồm nhiều tín hiệu sin Xét tín hiệu sin đơn gồm: pha, thời gian, biên độ, tần số Khi mà tín hiệu truyền môi trường định tính chất tín hiệu thay đổi: pha, tần số, biên độ Trường hợp tần số thay đổi pha thay đổi, ta xét đến trường hợp mà tín hiệu truyền ngang qua môi trường tính chất sau thay đổi: pha thay đổi, biên độ thay đổi, tần số không đổi Khi mà pha thay đổi ta xác định khoảng cách từ nơi tín hiệu phát tới nơi tín hiệu nhận hay khoảng cách lan truyền tín hiệu Điều ứng dụng nhiều thực tế đo độ sâu biển, đo bề mặt địa hình… Vậy việc thay đổi pha lại giúp ta đo đạc thế? Liệu có xác không? Để xây dựng thiết bị đo độ lệch pha ta làm nào? Đi tìm lời giải đáp cho câu trả lời ý tưởng mục đích em viết khóa luận Chương I: Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề Như ta biết, thực tế tín hiệu hợp tín hiệu gồm nhiều tín hiệu đơn, tín hiệu đơn có tính chất tín hiệu tổng hợp có tính chất với tín hiệu đơn Tín hiệu sin đơn có dạng: S(t) = Asin (ωt + ϕ) đó: A biên độ tín hiệu, ω tần số góc (ω = 2πf, f tần số), ϕ pha tín hiệu Ta xét trường hợp tín hiệu tín hiệu sin đơn lan truyền môi trường định phản xạ trở lại pha thay đổi tạo độ lệch pha tín hiệu truyền tín hiệu phản xạ Việc xác định độ lệch pha có ý nghĩa quan trọng, pha có liên quan đến thời gian, chu kì, pha thay đổi đại lượng thay đổi Khi mà đại lượng thay đổi ta xác định tọa độ tín hiệu, khoảng cách mà tín hiệu Xét toán cụ thể mà ta đo độ lệch pha hai tín hiệu: Giả sử có tín hiệu U1 thể dạng: U1(t) = Asin (ωt + ϕ1) Tín hiệu U1 lan truyền môi trường gặp vật cản phản xạ trở lại Tín hiệu phản xạ đặt tín hiệu U2 Và tín hiệu U2 thể dạng: U2(t) = Asin (ωt + ϕ2) Khi hai tín hiệu lệch pha khoảng là: ϕ = |ϕ1- ϕ2| Ví dụ như: ϕ1=45 độ , ϕ2=90 độ ϕ = 90-45 = 45 độ Mặt khác ta có: ϕ = ωt = 2πt /T = 2πd ( d khoảng cách tín hiệu truyền môi trường ) Vậy xác định độ lệch pha ϕ ta xác định tỉ lệ t/T, khoảng cách d ngược lại xác định t,T ta đo độ lệch pha ϕ 1.2 Mục tiêu khóa luận Đề tài khóa luân là: xây dựng thiết bị đo độ lệch pha tín hiệu Trong thực tế có nhiều loại tín hiệu nhiều dạng khác ta xét tín hiệu cụ thể làm rõ độ lệch pha tín hiệu Tín hiệu khóa luận tín hiệu sin đơn tần số dạng tổng quát: U(t) = Asin (ωt + ϕ) Tín hiệu lệch pha có dạng tương tự Ta sử dụng giải thuật vi điều khiển kết hợp với vi điều khiển nhằm xây dựng thiết bị đo độ lệch pha đảm bảo ổn định, xác cao 1.3 Phương pháp đo Trong khóa luận ta sử dụng phương pháp start, stop nhằm đo khoảng thời gian lệch pha hai điểm đồng pha hai tín hiệu: Điểm start điểm pha tín hiệu chuẩn Điểm stop điểm pha tín hiệu chậm Trong trường hợp hai tín hiệu có biên độ thay đổi không ta không đồng hai điểm đồng pha, không đo xác khoảng thời gian lệch pha Trường hợp hai tín hiệu có biên độ Trường hợp hai hiệu có biên độ không Khoảng cách AB khoảng lệch thời gian hai tín hiệu, hai trường hợp ta thấy khoảng cách AB không biên độ khác Vậy để lấy hai điểm đồng pha mà không phụ thuộc vào độ lớn biên độ ta lấy vị trí Khoảng cách AB không phụ thuộc vào biên độ Giả sử ta có hai tín hiệu sau: U1(t) = A1sin (ωt + ϕ1) U2(t) = A2sin (ωt + ϕ2) A1 khác A2 ta lấy A = 0, lúc để đồng pha ta có: sin (ωt + ϕ1) = sin (ωt + ϕ2) nên ϕ2 = ϕ1 + ϕ ϕ độ lệch pha hai tín hiệu ϕ = ωt = 2πt /T = 2πd Biết t/T ta suy ϕ Chương II : Mục đích thực 2.1 Xây dựng sơ đồ Mục đích khóa luận thiết kế thiết bị đo độ lệch pha tín hiệu để thực mục đích ta cần xây dựng sơ đồ sau: T tính theo đơn vị ns Cờ 7474 trigơD, tín hiệu chuẩn đưa vào chân clock tác động mức cao tín hiệu chậm đưa vào chân clear tác động mức thấp,tác động vào chân mặt trước xung Hoạt động trigơ sau : Mặt trước xung tín hiệu chuẩn vào chân lock tác động mức dương nên set mức điện áp lối Q lên mức Mặt trước xung tín hiệu chậm đưa vào chân clear tác động mức âm nên set mức điện lối Q xuống mức Hai tín hiệu vào trigơ hai tín hiệu xung kim lối Q đổi mức có tác động liên tục từ mặt trước xung kim lối Q ta thu xung vuông Bảng logic Sơ đồ cách mắc 7474 Bộ đo thời gian có chức đo thời gian t T Ta dùng vi điều khiển ATmega8 có đặc điểm bật sau: - Tiết kiệm điên năng, hiệu suất cao - 133 lệnh hiệu - thực thi tất chu ḱ đồng hồ đơn - Nâng lên 16 MIPS liệu 16 MHz 32 *8 ghi chung đa + ghi điều khiển ngoại vi - Chip nhân - Độ bền , sức chịu đựng cao , không thay đổi phân vùng nhớ 128 K Bytes nhở Flash lập tŕnh hệ thống 4K Bytes EEPROM 4K Bytes nhớ SRAM bên - Chu ḱỳ ghi/xóa : 10000 Flash / 100000 EEPROM - Tối đa 64K Bytes không gian nhớ bên lựa chọn timer /counter 16 bit mở rộng với đếm gộp trước chế độ so Timer /counter bit với đếm gộp trước riêng biệt chế độ - Bộ counter thời gian thực với dao động ( oscillator ) riêng biệt 53 đường vào lập tŕnh Điện áp hoạt động 2,7 - 5,5 V - Mức tốc độ xung nhịp - MHz Sử dụng ATmega8 với đếm chip ta thực đo t T cách dễ dàng Ta sử dụng đếm Timer Counter với lối vào chân INT0 INT1 Bộ đếm Timer Counter có độ rộng 16bit có đặc điểm sau : Gồm ghi bit tên kết thúc H L + TCNT1H TCNT1L chứa giá trị vận hành T/C1 + TCCR1A TCCR1B: Thanh ghi điều khiển hoạt động T/C1 Tất mode hoạt động T/C1 xác định thông qua bit ghi Các bit ghi bao gồm bit chọn Mode hay chọn dạng song,các bit quy định dạng ngõ ra, bit chọn giá trị chia Precales cho xung nhịp … Bảng chức CS12, CS11,CS10 + OCR1A OCR1B (output compare): so sánh lối Trong lúc T/C hoạt động, giá trị ghi TCNT1 tăng, giá trị so sánh liên tục với ghi TCR1A TCR1B (so sánh độc lập với ghi ) Việc so shhh AVR gọi output compare Khi giá trị so sánh “match” xảy ngắt thay đôi chân OC1A hock OC1B xảy +ICR1 : Input capture Khi có mtt kiên chân ICP1 caa ATmega8 ghi ICR1 “ Capture” giá trị ghi đến TCNT1 Một ngắt xảy trường hợp này, input capture dùng để cập nhật giá trị TOP củ T/C1 + Timsk : ghi mặt nạ ngắt dùng để quy định ngắt cho T/C1 Ta quan tâm đến bit đến bit TIMSK Có tất loại ngắt T/C1 Bit : TOIE1A quy định ngắt tràn cho T/C1 Bit : OCIE1B cho phép ngắt có ‘match ‘ xảy việc so sánh TCNT1 với OCR1B Bit OCIE1A cho phép ngắt có match xảy việc so sánh TCNT1 với OCR1A Bit : TICIE1 bit cho phép ngắt trường hợp input cpture dùng Muốn sử dụng ngắt phải set bit set bit I ghi trạng thái TIFR ghi cờ nhớ cho tất T/C bít từ đến cờ trạng thái T/C1 Ta sử dụng Timer Counter làm đếm để đếm khoảng thời gian kiện, ghi lại giá trị vào ghi TCNT1 chip ATmega8 xử lý giá trị ta kết đo t T 2.4 Lưu đồ giải thuật 2.4.1 Sơ đồ khối mô Proteus Proteus VSM chương trình hỗ trợ vẽ mạch nguyên ký chạy mô mạch điện tử, mạch có vi điều khiển mô trình làm việc mạch nguyên lý, giúp cho người học điện, điện tử hình dung trực quan vào thực tế linh kiện điện tử Sử dụng phần mềm Proteus ta tạo pha ban đầu tín hiệu cách đơn giản nhanh chóng, thực tế tạo tín hiệu chậm điều khó khăn Xây dựng sơ đồ Proteus Trong sơ đồ ta thấy tín hiệu xung sin đưa thẳng vào khuếch đại thuật toán mắc comparator, tức chân âm lối đất để chân dương so sánh mức điện áp tín hiệu sin chuyển đổi thành tín hiệu xung vuông Tín hiệu xung vuông qua tụ C có dạng Pic nhảy, pic tiếp tục hình thành lên xung kim xung kim đưa vào IC7474 Ở khối hình thành xung kim đường tín hiệu U1 ta sử dụng diode đầu nối đất, phần pic âm truyền thẳng xuống đất phần pic dương truyền tiếp tục vào IC7474 Ở khối hình thành xung kim đường tín hiệu U2 tín hiệu xung kim điều chế xong đảo pha, tín hiệu tác động vào chân Clear tác động mức thấp Sơ đồ giải thuật Proteus 2.4.2 Giải thuật đoạn chương trình giải thuật Yêu cầu ta cần đo t , cần xác định thời điểm: A: thời điểm có xung lên, bắt đầu chu kì B: thời điểm có xung xuống, kết thúc thời gian on (t) C: thời điểm có xung lên, kết thúc chu kì, bắt đầu chu kì Chương trình sử dụng ngắt để nhận biết điểm thời gian này(ngắt INT0 INT1), tác động để tạo ngắt có cạnh lên cạnh xuống chân INT0,INT1 xảy ngắt, để nhận biết cạnh lên hay cạnh xuống chương trình kiểm tra chân INT0,INT1 mức cạnh lên, ngược lại, mức cạnh xuống Ở chương trình ta lập trình cho chip ATmega8 ngắt theo sườn lên ( Rissing edge) Khi gặp sườn lên xung chương trình ngắt thực Thời điểm A C cạnh lên, để phân biệt ngắt thời điểm A, ngắt thời điểm C, ctr sử dụng biến nhớ, PrcSt – PrcSt Trạng thái Xảy ngắt A ,Timer bắt đầu hoạt động ,sẵn sàng chờ ngắt C Đã xử lý xong ngắt thời điểm B(INT1) thời điểm C(INT0) Timer dừng hoạt động xóa cờ ngắt Lấy mẫu xử lý data in LCD T_data=0 Ton_data=0 có ngắt thời điểm A set timer cho chạy thời điểm B lưu giá trị timer Ton_data: t thời điểm C lưu giá trị timer T_data: T t T đọc từ điểm xuất phát A thỏa yêu cầu đồng pha hai điểm đầu Sau đọc data về… xử lí tính toán hiển thị LCD Việc đọc lấu mẫu hiển thị LCD liên tục không cần thiết nên ctr dùng timer để định thời gian đọc lấy mẫu Timer set cho tràn 1ms Và chương trình sử dụng thêm biến msDelay để định thời gian lấy mẫu, thời gian set SampleTime Chương III: Kết thảo luận 3.1 kết Đã thiết kế hoàn thiện đưcc phần cứng sơ đồ mạch thật, sơ đồ mạch mô Protues, hoạt động ổn định Tìm hiểu chức đếm timer counter, hiển thị LCD Các hình ảnh mô phỏng:  Trường hợp pha ban đầu U2 lớn U1 Kết hiển thị  Trường hợp pha ban đầu U1 lớn U2: Như thiết lập ta thấy U1 có giá trị pha ban đầu U2 có giá trị pha ban đầu 30 U2 tín hiệu đưa vào chân Clock 7474 ,U1 tín hiệu đưa vào chân Preset 7474 nên U1 tín hiệu trễ pha so với U2 Độ lệch pha 30-0 =30 đô Với trường hợp ta thiết lập pha ban đầu cho U1 U2 60 45 Ở trường hợp ta thấy ban đầu U2 có pha 45 U1 có pha 60, tức U1 sớm pha U2 15 độ Nhưng U1 tín hiệu trễ pha so với U2 nên lúc độ lệch pha là: 360-15=345  Một số điểm hạn chế: mạch mô chưa với thực tế mô chưa hỗ trợ linh kiện điện tử khuếch đại thuật toán TL082, LM339, 74LS123 việc thay linh kiện khác không làm sai yêu cầu đặt  Trên mô ta làm việc với tần số thấp xấp xỉ 1Hz tần số cao xấp xỉ 1MHz Nếu tràn đếm ta không đo thời gian xác  Tài liệu tham khảo Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tử động, nhà xuất đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh 2003 Ngô Diên Tập, Vi điều khiển AVR ,nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2000 Tống Văn On,Họ vi điều khiển 8051, nhà xuất lao động – xã hội 2009 Huỳnh Văn chương, Hướng dẫn sử dụng phần mềm mô Proteus – nhà xuất kỹ thuật 2005 Cao ngọc Minh, Lý thuyết điều khiển tự động, nhà xuất đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh 2007 [...]... Clock của 7474 ,U1 là tín hiệu đưa vào chân Preset của 7474 nên U1 sẽ là tín hiệu trễ pha hơn so với U2 Độ lệch pha sẽ là 30-0 =30 đô Với trường hợp 2 ta thiết lập pha ban đầu lần lượt cho U1 và U2 là 60 và 45 Ở trường hợp này ta thấy là ban đầu U2 có pha là 45 thì U1 có pha là 60, tức là U1 đã sớm pha hơn U2 15 độ Nhưng do U1 là tín hiệu trễ pha so với U2 nên lúc này độ lệch pha sẽ là: 360-15=345... chính là chu kỳ T Đo chu kỳ T theo cách 1 Cách 2 : ta cho tín hiệu chuẩn đường 1 vào một bộ đo thời gian khác để đo khoảng thời gian giữa mặt trước của xung trong 2 chu kỳ liên tiếp Đo chu kỳ T theo cách 2 Từ việc đo thời gian t và T ta sẽ xác định được độ lệch pha bời công thức: ϕ = 2πt /T Ta sẽ xây dựng lại sơ đồ tổng quát để đo độ lệch pha ϕ như sau: 2.3 Linh kiện và các thiết bị Khuếch đại thuật... hoạt động Nhìn tổng quan thì hai đường tín hiệu là giống hệt nhau chỉ khác nhau về pha của tín hiệu ban đầu Tín hiệu ban đầu trên modul 1 là tín hiệu sin đơn tần số Bộ khuếch đại thuật toán có chức năng làm tăng cường tín hiệu ban đầu lên để xử lý Bộ tạo xung có chức năng là chuyển đổi tín hiệu xung sin tín hiệu xung vuông Trong quá trình chuyển đổi phải thỏa mãn điều kiện là nửa phần xung dương của tín. .. để tính độ rộng xung ra là: t = K.Rext.Cext với trường hợp Cext1uF Rext tính theo đơn vị KΩ, Cext tính theo đơn vị pF, T tính theo đơn vị ns Cờ 7474 là trigơD, tín hiệu chuẩn đưa vào chân clock tác động mức cao và tín hiệu chậm đưa vào chân clear tác động mức thấp,tác động vào các chân là mặt trước của xung Hoạt động của trigơ như sau : Mặt trước của xung tín. .. Trên hình vẽ : T đo : là khoảng thời gian đo và là khoảng thời gian lệch pha của hai tín hiệu T không đo : là khoảng thời gian không đo T : là chu kỳ của xung Với phương pháp này ta sẽ đo được t nhưng để đo được độ lệch pha ϕ thì ta cần phải xác định được T Vậy để đo T ta có có 2 cách: Cách 1 : do khi kết thúc một start, stop thì lại xuất hiện một start, stop mới và dựa vào đó ta sẽ đo khoảng thời gian... thành xung kim của đường tín hiệu U1 ta sử dụng diode một đầu nối đất, những phần pic âm sẽ được truyền thẳng xuống đất còn những phần pic dương sẽ được truyền tiếp tục vào IC7474 Ở khối hình thành xung kim của đường tín hiệu U2 thì tín hiệu xung kim điều chế xong sẽ được đảo pha, bởi tín hiệu này tác động vào chân Clear là tác động mức thấp Sơ đồ giải thuật trên Proteus 2.4.2 Giải thuật đo n chương trình... trigơ như sau : Mặt trước của xung tín hiệu chuẩn vào chân lock là tác động mức dương nên sẽ set mức điện áp ở lối ra Q lên mức 1 Mặt trước của xung tín hiệu chậm được đưa vào chân clear là tác động mức âm nên sẽ set mức điện ở lối ra Q xuống mức 0 Hai tín hiệu vào trigơ là hai tín hiệu xung kim và lối ra Q sẽ đổi mức khi có sự tác động liên tục từ các mặt trước của 2 xung kim và ở lối ra Q ta sẽ thu... phần cứng của sơ đồ mạch thật, sơ đồ mạch mô phỏng trên Protues, đã hoạt động và ổn định Tìm hiểu được chức năng bộ đếm timer counter, hiển thị LCD Các hình ảnh mô phỏng:  Trường hợp pha ban đầu của U2 lớn hơn U1 Kết quả hiển thị  Trường hợp pha ban đầu của U1 lớn hơn U2: Như thiết lập ta thấy U1 có giá trị pha ban đầu là 0 và U2 có giá trị pha ban đầu là 30 U2 là tín hiệu đưa vào chân Clock của 7474... giản và nhanh chóng, trong khi thực tế tạo ra tín hiệu chậm là điều rất khó khăn Xây dựng sơ đồ trên Proteus Trong sơ đồ trên ta thấy tín hiệu xung sin được đưa thẳng vào một con khuếch đại thuật toán được mắc như một comparator, tức là chân âm sẽ được lối đất để chân dương so sánh mức điện áp và tín hiệu sin sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu xung vuông Tín hiệu xung vuông đi qua tụ C có dạng các Pic... kim này sẽ lệch pha nhau và để đo độ lệch pha này ta đưa hai xung vào làm xung start và stop cho bộ đo thời gian Bộ đo thời gian là là một cờ Khoảng thời gian đo là có mức bằng 1 và khoảng thời gian không đo có mức bằng 0 Dựa vào đặc điểm này ta có thể cho đổi từ start sang stop và ngược lại để tạo ra được các mức 1, 0 và ngược lại, tức là tạo ra được một xung vuông Nguyên tắc tạo xung của cờ Trên ... tế tín hiệu hợp tín hiệu gồm nhiều tín hiệu đơn, tín hiệu đơn có tính chất tín hiệu tổng hợp có tính chất với tín hiệu đơn Tín hiệu sin đơn có dạng: S(t) = Asin (ωt + ϕ) đó: A biên độ tín hiệu, ... số), ϕ pha tín hiệu Ta xét trường hợp tín hiệu tín hiệu sin đơn lan truyền môi trường định phản xạ trở lại pha thay đổi tạo độ lệch pha tín hiệu truyền tín hiệu phản xạ Việc xác định độ lệch pha. .. nhiều loại tín hiệu nhiều dạng khác ta xét tín hiệu cụ thể làm rõ độ lệch pha tín hiệu Tín hiệu khóa luận tín hiệu sin đơn tần số dạng tổng quát: U(t) = Asin (ωt + ϕ) Tín hiệu lệch pha có dạng