ĐẠI HỌC PHƯƠNG ĐÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG

TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB_T

GV Hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Quốc Trung

Sinh viên thức hiện : Đoàn Trọng Sơn

Sinh Viên Lớp : 507102-103

Hà Nội 2010

MỞ ĐẦU

Các bộ biến đổi tương tự - số, thường nói tới là A/D (ADC) có vai trò ngày càng

quan trọng trong việc trang bị máy đo trong những năm qua. Các bộ chuyển đổi ADC

thuộc trong những thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để thu dữ liệu. Các máy tính số sử

dụng các giá trị nhị phân, nhưng trong thế giới vật lý thì mọi đại lượng ở dạng tương tự

(liên tục).

Nhiệt độ, áp suất (khí hoặc chất lỏng), độ ẩm và vận tốc và một số ít trong những

đại lượng vật lý của thế giới thực mà ta gặp hàng ngày. Một đại lượng vật lý được chuyển

về dòng điện hoặc điện áp qua một thiết bị được gọi là các bộ biến đổi. Các bộ biến đổi

cũng có thể được coi như các bộ cảm biến. Mặc dù chỉ có các bộ cảm biến nhiệt, tốc độ,

áp suất, ánh sáng và nhiều đại lượng tự nhiên khác nhưng chúng đều cho ra các tín hiệu

dạng dòng điện hoặc điện áp ở dạng liên tục.

Bài báo cáo này trình bày ngắn gọn về việc lắp mạch – hiển thị giá trị chuyển đổi

ADC lên màn hình. Kết cấu bài báo cáo bao gồm:

- P1 : Tìm hiểu về chuyển đổi ADC trên AVR.

- P2 : Tìm hiểu về khuyếch đại thuật toán IC HA17741 .

- P3 : Giới thiệu về Phần mềm mô phỏng mạch điện Proteus 7.0

- P4 : Mô phỏng mạch nguyên lý.

Phần I : Tìm hiểu về chuyển đổi ADC trên họ chíp AVR

I – Khái niệm :

Trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng vi điều khiển, bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) là một thành phần rất quan trọng. Dữ liệu trong thế giới của chúng ta là các dữ liệu tương tự (analog). Ví dụ nhiệt độ không khí buổi sáng là 25oC và buổi trưa là 32oC, giữa hai mức giá trị này có vô số các giá trị liên tục mà nhiệt độ phải “đi qua” để có thể đạt mức 32oC từ 25oC, đại lượng nhiệt độ như thế gọi là một đại lượng analog. Trong khi đó, rõ ràng vi điều khiển là một thiết bị số (digital), các giá trị mà một vi điều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực chất chúng được tạo thành từ sự kết hợp của hai mức 0 và 1. Ví dụ chúng ta muốn dùng một thanh ghi 8 bit trong vi điều khiển để lưu lại các giá trị nhiệt độ từ 0oC đến 255 oC. Nói cách khác, chúng ta đã “số hóa” (digitalize) một dữ liệu analog thành một dữ liệu digital. Quá trình “số hóa” này thường được thực hiện bởi một thiết bị gọi là “bộ chuyển đổi tương tự - số hay đơn giản là ADC (Analog to Digital Converter).

      Có rất nhiều phương pháp chuyển đổi ADC, em không có ý định giải thích cụ thể các nguyên lý chuyển đổi này trong bài học về AVR. Phương pháp chuyển đổi mà em nói là phương pháp chuyển đổi trực tiếp (direct converting)  hoặc flash ADC. Các bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp này được cấu thành từ một dãy các bộ so sánh (như  opamp), các bộ so sánh được mắc song song và được kết nối trực tiếp với tín hiệu analog cần chuyển đổi. Một điện áp tham chiếu (reference) và một mạch chia áp được sử dụng để tạo ra các mức điện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so sánh. Hình 8 mô tả một bộ chuyển đổi flash ADC có 4 bộ so sánh, Vin là tín hiệu analog cần chuyển đổi và giá trị sau chuyển đổi là các con số tạo thành từ sự kết hợp các mức nhị phân trên các chân Vo.

Trong hình 1, bạn thấy rằng do anh hưởng của mạch chia áp (các điện trở mắc nối tiếp từ điện áp +15V đến ground), điện áp trên chân âm (chân -) của các bộ so sánh sẽ khác nhau. Trong lúc chuyển đổi, giả sử điện áp Vin lớn hơn điện áp “V-“ của bộ so sánh 1 (opamp ở phía thấp nhất trong mạch) nhưng lại nhỏ hơn điện áp V- của các bộ so sánh khác, khi đó ngõ Vo1 ở mức 1 và các ngõ Vo khác ở mức 0, chúng ta thu được một kết quả số. Một cách tương tự, nếu tăng điện áp Vin ta thu được các tổ hợp số khác nhau. Với mạch điện có 4 bộ so sánh như trong hình 1, sẽ có tất cả 5 trường hợp có thể xảy ra, hay nói theo cách khác điện áp analog Vin được chia thành  5 mức số khác nhau. Tuy nhiên, bạn chú ý là các ngõ Vo không phải là các bit của tín hiệu số ngõ ra, chúng chỉ là đại diện để tổ hợp thành tín hiệu số ngõ ra, dễ hiểu hơn chúng ta không sử dụng được các bit Vo

trực tiếp mà cần một bộ giải mã (decoder). Trong bảng 1 tôi trình bày kết quả sau khi giải mã ứng với các tổ hợp của các ngõ Vo.

Hình 1. Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh.

Bảng 1 Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã.

      Độ phân giải (resolution): như trong ví dụ trên, nếu mạch điện có 4 bộ so sánh, ngõ ra digital sẽ có 5 mức giá trị. Tương tự nếu mạch điện có 7 bộ so sánh thì sẽ có 8 mức giá trị có thể ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tín hiệu  trong trường hợp 8 mức sẽ nhỏ hơn trường hợp 4 mức. Nói cách khác, mạch chuyển đổi với 7 bộ so sánh có giá trị digital ngõ ra “mịn” hơn khi chỉ có 4 bộ, độ “mịn” càng cao  tức độ phân giải (resolution) càng lớn.

Khái niệm độ phân giải được dùng để chỉ số bit cần thiết để chứa hết các mức giá trị digital ngõ ra. Trong trường hợp có 8 mức giá trị ngõ ra, chúng ta cần 3 bit nhị phân để mã hóa hết các giá trị này, vì thế mạch chuyển đổi ADC với 7 bộ so sánh sẽ có độ phân giải là 3 bit. Một cách tổng quát, nếu một mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải n bit thì sẽ có 2n mức giá trị có thể có ở ngõ ra digital. Để tạo ra một mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải n bit, chúng ta cần đến 2n-1 bộ so sánh, giá trị này rất lớn khi thiết kế bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải cao, vì thế các bộ chuyển đổi flash ADC thường có độ phân giải ít hơn 8 bit. Độ phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của bô điều khiển. Trong hình 2 mô tả một ví dụ “số hóa” một hàm sin analog thành dạng digital.

Hình 2. Analog và digital của hàm sin.

      Điện áp tham chiếu (reference voltage): Cùng một bộ chuyển đổi ADC nhưng có người muốn dùng cho các mức điện áp khác nhau (ví dụ người A muốn chuyển đổi điện áp trong khoảng 0-1V trong khi người B muốn dùng cho điện áp từ 0V đến 5V. Rõ ràng nếu hai người này dùng 2 bộ chuyển đổi ADC đều có khả năng chuyển đổi đến điện áp 5V thì người A đang “phí phạm” tính chính xác của thiết bị). Vấn đề sẽ được giải quyết bằng một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu - Vref (reference voltage). Điện áp tham chiếu thường là giá trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển đổi. Trong các bộ ADC, Vref thường là thông số được đặt bởi người dùng, nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi. Ví dụ, một bộ ADC 10 bit (độ phân giải) có Vref=3V, nếu điện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu được sau khi chuyển đổi sẽ là: 1023x(1/3)=314. Trong đó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ ADC 10 bit có thể tạo ra (1023=210-1). Vì điện áp tham chiếu ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình  chuyển đổi, chúng ta cần tính toán để chọn 1 điện áp tham chiếu phù hợp, không được nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input nhưng cũng đừng quá lớn.

II. Chuyển đổi ADC trên AVR.

      Chip AVR ATmega32 của Atmel có tích hợp sẵn các bộ chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit. Có tất cả 8 kênh đơn (các chân ADC0 đến ADC7), 16 tổ hợp chuyển đổi dạng so sánh, trong đó có 2 kênh so sánh có thể khuyếch đại.

ADC trên AVR cần được “nuôi” bằng nguồn điện áp riêng ở chân AVCC, giá trị điện áp cấp cho AVCC không được khác nguồn nuôi chip (VCC) quá +/-0.3V. Nhiễu (noise) là vấn đề rất quan trọng khi sử dụng các bộ ADC, để giảm thiểu sai số chuyển đổi do nhiễu, nguồn cấp cho ADC cần phải được “lọc” (filter) kỹ càng. Một cách đơn giản để tạo nguồn AVCC là dùng một mạch LC kết nối từ nguồn VCC của chip như minh họa trong hình 3, đây là cách được gợi ý bởi nhà sản xuất AVR.

Hình 3. Tạo nguồn AVCC từ VCC.

# Sơ đồ khối bộ biến đổi tương tự ra số

# Nguyên tắc hoạt động

ADC có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện áp tương tự thành tín hiệu số có độ phân giải 10 bit.Với giá trị nhỏ nhất của điện áp đặt ở chân GND và giá trị cực đại của điện áp tương tự được mắc vào chân AREF or AVCC. Tám kênh tương tự đầu vào được chọn lựa thông qua ADMUX và ADMUX này được điều khiển bởi thanh ghi ADMUX.

Điện áp tham chiếu cho ADC trên AVR có thể được tạo bởi 3 nguồn: dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V (cố định), dùng điện áp AVCC hoặc điện áp ngoài đặt trên chân VREF. Một lần nữa, bạn cần chú ý đến noise khi đặt điện áp tham chiếu, nếu dùng điện áp ngoài đặt trên chân VREF thì điện áp này phải được lọc thật tốt, nếu dùng điện áp tham chiếu nội  2.56V hoặc AVCC thì chân VREF cần được nối với một tụ điện.       Các chân trên PORTA của chip ATmega32 được dùng cho bộ ADC, chân PA0 tương ứng kênh ADC0 và chân PA7 tương ứng với kênh ADC7.

ADC này có thể hoạt động được ở hai chế độ. Đó là chuyển đổi đơn: chỉ chuyển đổi một lần khi có lệnh chuyển đổi và chế độ tự chuyển đổi (Free running mode) đây là chế độ mà ADC tự động chuyển đổi khi được hoạt động và công việc chuyển đổi có tính tuần hoàn (chỉ cần khởi động một lần).

ADC được phép hoạt động nhờ thiết lập bit ADEN. Quá trình chuyển đổi được bắt đầu bằng việc ghi vào bit ADSC mức logic 1 và trong suốt quá trình chuyển đổi bit này luôn được giữ ở mức cao. Khi quá trình chuyển đổi hoàn thành thì bit này được xóa bằng phần cứng và cờ ADIF được bật lên.

Dữ liệu sau khi chuyển đổi được đưa ra thanh ghi dữ liệu ADCL và ADCH, nhưng chú ý khi đọc dữ liệu từ hai thanh ghi này thì đọc ADCL trước rồi mới đọc ADCH. Nếu đọc ADCH trước thì dữ liệu cập nhật có thể ghi đè lên ADCL (Vi điều khiển nghĩ rằng đã đọc xong dữ liệu).

Để điều khiển vào ra dữ liệu với ADC, các bước thực hiện như sau: Bước 1: Định nghĩa các cổng vào cho tín hiệu tương tự.Xóa bit tương ứng với chân đó trong thanh ghi DDRA. Sau đó loại bỏ điện trở treo bằng cách xóa bit tương ứng ở thanh ghi PORTA. Bước 2: Chọn kênh tương tự vào (chọn chân vào cho ADC) thông qua thanh ghi ADMUX (có thể thay đổi trong quá trình hoạt động). Bước 3: Thiết lập các thông số cho ADCTốc độ chuyển đổi thông qua xung nhip chuyển đổi.Chế độ chuyển đổi : đơn hoặc tự động.Sử dụng ngắt hoặc không. Bước 4: Bắt đầu chuyển đổi và đọc dữ liệu.

Phần II : Tìm hiểu về khuyếch đại thuật toán IC HA17741

I - Khuếch đại thuật toán

Hình 4: a) Ký hiệu của khuếch đại thuật toán b) Sơ đồ chân của khuếch đại thuật toán 741

c) Hình thật của khuếch đại thuật toán 741Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ngày nay được sản xuất dưới dạng các IC tương

tự (analog). Có từ "thuật toán" vì lần đầu tiên chế tạo ra chúng người ta sử dụng chúng trong các máy điện toán. Do sự ra đời của khuếch đại thuật toán mà các mạch tổ hợp analog đã chiếm một vai trò quan trọng trong kỹ thuật mạch điện tử. Trước đây chưa có khuếch đại thuật toán thì đã tồn tại vô số các mạch chức năng khác nhau. Ngày nay, nhờ sự ra đời của khuếch đại thuật toán số lượng đó đã giảm xuống một cách đáng kể vì có thể dùng khuếch đại thuật toán để thực hiện các chức năng khác nhau nhờ mạch hồi tiếp ngoài thích hợp. Trong nhiều trường hợp dùng khuếch đại thuật toán có thể tạo hàm đơn giản hơn, chính xác hơn và giá thành rẻ hơn các mạch khuếch đại rời rạc (được lắp bằng các linh kiện rời ) . Ta hiểu khuếch đại thuật toán như một bộ khuếch đại lý tưởng : có hệ số khuếch đại điện áp vô cùng lớn K → ∞, dải tần số làm việc từ 0→ ∞, trở kháng vào cực lớn Zv → ∞, trở kháng ra cực nhỏ Zr → 0, có hai đầu vào và một đầu ra. Thực tếngười ta chế tạo ra KĐTT có các tham số gần được lý tưởng. Hình 4 a là ký hiệu củaKĐTT : Đầu vào (+) gọi là đầu vào không đảo P(positive), đầu vào (-) gọi là đầu vào đảo N (negative), (VS+) điện áp nguồn dương, (VS-) điện áp nguồn âm và một đầu ra (VOut).KĐTT ngày nay có thể được chế tạo như một IC hoặc nằm trong một phần của IC đa chức năng .

Hình 5: Sơ đồ khối bên trong khuếch đại thuật toán

II - Mạch khuếch đại đảo

Là mạch dùng hồi tiếp âm từ ngõ ra đến ngõ vào đảo

- Hệ số khuếch đại mạch đảo được tính bởi:

Av = − Rf

Ri Với : Ri : điện trở ngõ vào

Rf : điện trở hồi tiếp R3 : cân bằng nhiệt cho op-amp

Muốn thay đổi độ khuếch đại vi sai vòng kín Av, thì cần chọn các giá trị Ri , Rf thích hợp.

Nếu Rf quá nhỏ, dòng ra của op-amp sẽ vượt quá giá trị cực đại cho phép, vì dòng ra bao gồm dòng if và dòng qua tải.

Nếu Rf quá lớn, mạch điện dễ bị nhiễu và làm việc thiếu ổn định. Thông thường chọn

Rf từ 2kΩ đến 2MΩ.

Bộ khuếch đại đảo có trở kháng vào rất lớn nên dòng vào op-amp rất nhỏ. Do vậy dòng tín hiệu vào Ri sẽ bằng dòng qua Rf : ii ≅ if. Nếu đầu vào không đảo (3)

của op-amp nối mass, thì dòng phân cực ib cho ngõ vào đảo sẽ tạo ra áp lệch giữa

2 ngõ vào và bản thân dòng phân cực lại thay đổi theo nhiệt độ nên làm cho làm việc thiếu ổn định.

Để giảm nhỏ ảnh hưởng này, cần mắc điện trở R3 vào đầu vào không đảo với mass.

Điều kiện cân bằng tốt nhất nên chọn R3 = R1//R2

Phần 3: Giới thiệu phần mềm mô phỏng mạch điện Proteus 7.0

I. Giới thiệu về ProteusPhần mềm Proteus VSM được viết bởi công ty Labcenter Electronics . Proteus đã

được sử dụng khá rộng rãi trên 35 quốc gia. Proteus đã tự khẳng định thế mạnh của nó về mô phỏng các mạch nguyên lý sát với thực tế, trên 12 năm càng ngày nó càng được hoàn thiện và phát triển mạnh. Protesu cung cấp cho người sử dụng hầu như toàn bộ các linh kiện điện tử để người dùng có thể tạo ra được các mạch nguyên lý và sau cùng là chạy thử và so sánh với kết quả thực tế.

Phần mềm Proteus chạy trong môi trường Window 32 bit, yêu cầu của nó về phần cứng cũng đơn giản, CPU 300MHz trở lên.

II. Các ưu điểm - Dễ dàng tạo ra một sơ đồ nguyên lý đơn giản từ các mạch điện đơn giản đến các mạch có bộ lập trình vi xử lý .

- Dễ dàng chỉnh sửa các đặc tính của linh kiện trên sơ đồ nguyên lý : chỉnh sửa số bước của động cơ bước, chỉnh sửa nguồn nuôi cho mạch ,thay đổi tần số hoạt động cơ bản của vi xử lý…

- Công cụ hỗ trợ kiểm tra lổi thiết kế trên sơ đồ nguyên lý . Xem và lưu lại phần báo lỗi .

- Chạy mô phỏng và phân tích các tính chất của mạch điện cơ bản. Công cụ hỗ trợ cho việc chạy và mô phỏng rất mạnh và chính xác. Các công cụ và đồ thị hỗ trợ mạnh cho việc phân tích tần số, sóng, âm thanh .. không nhưng thế phần mềm còn có thêm các máy phân tích từ đơn giản như : đồng hồ đo Vôn, Ampe, đến các máy đo dao động ,máy tạo sóng dao động …

- Ngoài ra Proteus còn cung cấp cho người sử dụng các công cụ mạnh mà các phần mềm khác hầu như không có. Chẳng hạn thư viện LED với các loại màu sắc khác nhau kể cả led 7 đoạn. Nhưng phần hiển thị mạnh nhất mà Proteus cung cấp là LCD, nó có thể mô phỏng cho rất nhiều LCD từ đơn giản đến phức tạp.

- Một điểm mạnh khác của Proteus là cung cấp cho người sử dụng công cụ biên dịch cho các họ vi xử lý như MSC51, AVR, HC11 … qua đó tạo ra các tập tin HEX dùng để nạp cho vi xử lý và tập tin DSI dùng để xem và chạy kiểm tra từng bước trong chương trình mô phỏng.

- Proteus có một thư viện khá lớn với hơn 6000 linh kiện các loại và càng ngày càng được bổ sung. Ngoài ra còn có keypad (ma trận phím tạo đơn giản cho người thiết kế khi cần thao tác trên các ma trận phím ).

III. Khả năng ứng dụng - Khả năng ứng dụng chính của Proteus là mô phỏng, phân tích các kết quả từ các mạch nguyên lý. Proteus giúp cho người sử dụng có thể thấy trước mạch thiết kế chạy đúng hay sai trước khi thiết kế trên bo mạch.

- Các công cụ phục vụ cho việc phân tích mạch có độ chính xác khá cao như đo vôn hay ampe, máy đo dao động.

- Khả năng áp dụng chương trình Proteus vào trong giảng dạy là rất tốt cho các thầy cũng như cho sinh viên học tập kỹ thuật điện tử vì hầu như Proteus cung cấp gần như đầy đủ từ cơ bản đến phức tạp cho người học điện tử và vi xử lý.

- Đối với các sinh viên thì Proteus nếu mà được sử dụng rộng dãi thì nó gần như là thầy dạy cho chính họ ở nhà. Nó giúp cho các sinh viên tự học, tự nhiên cứu và thiết kế thử các phần đã học và chạy xem kết quả và rút ra các bài học tốt. Điều cơ bản nhất là tiết kiệm tiền cho sinh viên không có điều kiện mà lại ham học, ham nghiên cứu.

IV. Khả năng phân tích - Phân tích một mạch đơn giản.

- Phân tích các mạch các họ vi xử lý.

- Phân tích mạch qua các đồ thị, các máy đo ví dụ :

+ Phân tích Analogue

+ Phân tích Digital

+ Phân tích tần số

+ Phân tích âm thanh

+ Phân tích truyền phát dữ liệu.

Phần 4 : Mô phỏng mạch nguyên lý

Chúng ta sẽ minh họa cách sử dụng ADC trên AVR ở chế độ đơn kênh bằng ví dụ: “ Đo 2 điện áp bất kì rồi khuyếch đại dòng đó và đặt giá trị điện áp đó trực tiếp vào chân analog của chíp, rồi hiên thị giá trị lên LED 7 thanh ”.

Dưới đây là 1 số hình ảnh về Mạch thật đã test:

+ Mạch trước khi cắm điện :

+ Mạch sau khi cắm điện và hiển thị ở chế độ lệch 0:

+ Sau khi đo điện áp ở 2 đầu dây ( điện áp trên tay) thì giá trị của led thay đổi:

Giá trị điện áp được đo và khuyếch đại lên khoảng 1000 lần, là giá trị đo giữa mức 0 và mức giá trị điện áp ở 2 đầu dây.