Đồ án Tốt nghiệp: Thiết kế và Thi công Máy đo dạng sóng tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Tìm hiểu đồ án tốt nghiệp thiết kế và thi công máy đo dạng sóng tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Khám phá chi tiết công nghệ, mạch điện và kết quả thực tế.

• Tác giả: Trần Hữu Nghĩa
• Người hướng dẫn: Ths. Phan Vân Hoàn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Máy Đo Dạng Sóng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái quát về Máy đo Dạng Sóng và Ứng dụng

Máy đo dạng sóng (Oscilloscope) là một thiết bị điện tử quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và truyền thông. Đây là công cụ không thể thiếu trong các phòng thí nghiệm, xưởng sản xuất và các cơ sở nghiên cứu kỹ thuật. Máy đo dạng sóng cho phép kỹ thuật viên và nhà khoa học quan sát, phân tích các tín hiệu điện với độ chính xác cao, từ đó đánh giá chất lượng và hiệu suất của các mạch điện tử. Tính năng hiển thị dạng sóng trên màn hình giúp người dùng dễ dàng nhận biết các vấn đề trong hoạt động của thiết bị. Với sự phát triển của công nghệ, máy đo oscilloscope số đã thay thế dần các loại máy đo tương tự, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như độ chính xác cao hơn, khả năng lưu trữ dữ liệu và giao diện thân thiện với người dùng.

1.1. Công dụng chính của Máy đo Dạng Sóng

Máy đo dạng sóng được sử dụng để đo lường các thông số điện tử như điện áp, tần số, độ trễ pha và các đặc tính khác của tín hiệu điện. Nó giúp phát hiện lỗi trong mạch điện, kiểm tra hoạt động của linh kiện điện tử và xác minh thiết kế mạch. Trong ngành công nghiệp, máy đo oscilloscope đóng vai trò quan trọng trong kiểm tra chất lượng sản phẩm, bảo trì thiết bị và phát triển công nghệ mới.

1.2. Sự khác biệt giữa Oscilloscope Số và Tương tự

Oscilloscope tương tự sử dụng tia cathode để vẽ trực tiếp dạng sóng lên màn hình, trong khi oscilloscope số chuyển đổi tín hiệu thành dữ liệu số rồi xử lý và hiển thị. Máy đo oscilloscope số cung cấp độ chính xác cao hơn, khả năng lưu trữ dữ liệu, phân tích nâng cao và giao diện người dùng hiện đại hơn so với loại tương tự.

II. Nguyên lý Hoạt động và Phần cứng Hệ thống

Hệ thống máy đo dạng sóng được xây dựng dựa trên nguyên lý chuyển đổi analog-to-digital (ADC) và xử lý tín hiệu bằng vi điều khiển. Tín hiệu đầu vào được tiếp nhận thông qua mạch điều chỉnh độ lớn, sau đó được số hóa bởi bộ chuyển đổi ADC với độ phân giải cao. Vi điều khiển ARM Cortex xử lý dữ liệu và hiển thị dạng sóng trên màn hình LCD cảm ứng. Hệ thống còn tích hợp giao tiếp USB để lưu trữ dữ liệu và xuất kết quả đo lường. Kiến trúc phần cứng được thiết kế với các mạch lọc, khuếch đại và bảo vệ tín hiệu để đảm bảo độ chính xác của phép đo. Mạch cộng đảo được sử dụng để tinh chỉnh biên độ tín hiệu, trong khi mạch cầu phân áp giúp điều chỉnh độ dịch của dạng sóng.

2.1. Giới thiệu về Vi điều khiển ARM Cortex

Vi điều khiển ARM Cortex, đặc biệt là STM32F407, là bộ xử lý mạnh mẽ với khả năng tính toán nhanh chóng, hoàn hảo cho ứng dụng đo dạng sóng. ARM Cortex cung cấp nhiều kênh ADC, giao tiếp ngoại vi phong phú và tốc độ xung nhịp cao, cho phép xử lý dữ liệu thời gian thực hiệu quả. Bộ nhớ lớn của ARM hỗ trợ lưu trữ dữ liệu và chạy các thuật toán xử lý tín hiệu phức tạp.

2.2. Chuẩn truyền USB và Định dạng Lưu trữ

Giao tiếp USB 2.0 được tích hợp để kết nối máy đo dạng sóng với máy tính, cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng và lưu trữ kết quả đo. Định dạng BMP được sử dụng để lưu trữ dạng sóng dưới dạng hình ảnh, giúp người dùng dễ dàng chia sẻ và phân tích kết quả. Chuẩn USB chuẩn và định dạng tệp phổ biến đảm bảo tương thích với các thiết bị khác.

III. Tính toán Thiết kế Mạch và Sơ đồ Nguyên lý

Quá trình thiết kế mạch cho máy đo dạng sóng đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng các thông số điện. Sơ đồ khối hệ thống bao gồm mạch lấy mẫu tín hiệu, mạch điều chỉnh biên độ, bộ chuyển đổi ADC và bộ xử lý tín hiệu. Mạch đầu vào được thiết kế với tổng trở cao để tránh ảnh hưởng đến tín hiệu được đo. Mạch cộng đảo thực hiện các phép toán khuếch đại và điều chỉnh độ lớn tín hiệu để phù hợp với phạm vi của ADC. Tính toán băng thông và tốc độ lấy mẫu được xác định dựa trên yêu cầu ứng dụng, đảm bảo khả năng hiển thị chính xác dạng sóng ở các tần số khác nhau. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch thể hiện chi tiết các linh kiện, kết nối và mạch điều khiển.

3.1. Thiết kế Sơ đồ Khối và Mạch Cầu Phân áp

Sơ đồ khối của hệ thống được chia thành các khối chức năng: phần tiếp nhận tín hiệu, khối ADC, khối xử lý tín hiệu và khối hiển thị. Mạch cầu phân áp được sử dụng để điều chỉnh điện áp tham chiếu, cho phép thay đổi độ dịch dọc của dạng sóng trên màn hình, giúp người dùng quan sát chi tiết các phần khác nhau của tín hiệu.

3.2. Mạch Khuếch đại và Tạo Nguồn Âm

Mạch cộng đảo được thiết kế thành nhiều tầng để cung cấp độ khuếch đại linh hoạt, cho phép điều chỉnh tỷ lệ phóng đại từ hàng mV đến vài V. Mạch tạo nguồn âm sử dụng IC 7660 để tạo ra điện áp âm, cần thiết cho hoạt động của các op-amp và cảm biến trong hệ thống, đảm bảo tín hiệu đầu vào có thể được xử lý toàn diện.

IV. Thi công Lập trình và Kết quả Thử nghiệm

Thi công hệ thống bao gồm bố trí các linh kiện trên PCB board,焊接kết nối và kiểm tra chất lượng mạch điện. Sau khi hoàn thành thi công, quá trình lập trình vi điều khiển được thực hiện bằng công cụ Keil C, tạo ra các chương trình con để khởi tạo hệ thống, thu thập dữ liệu, lưu ảnh và hiển thị dạng sóng. Lưu đồ chương trình chi tiết từng bước xử lý tín hiệu và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi. Sau hoàn thành, máy đo dạng sóng được thử nghiệm với các tín hiệu DC từ pin, AC từ máy phát sóng với các loại dạng sóng khác nhau: sin, vuông, tam giác và răng cưa. Kết quả so sánh giữa dạng sóng do sản phẩm đo được và máy đo thực tế cho thấy độ chính xác cao, chứng minh hiệu quả của thiết kế.

4.1. Quá trình Thi công Board Mạch và Lập trình

Board mạch được thiết kế với bố trí linh kiện tối ưu nhằm giảm nhiễu điện từ. Quá trình lập trình bao gồm khởi tạo các cấu hình của ARM Cortex, ADC, giao tiếp LCD cảm ứng và USB. Lưu đồ chương trình con khởi tạo định nghĩa tất cả các thanh ghi và cấu hình hệ thống. Lưu đồ chương trình con lưu ảnh cho phép lưu trữ dạng sóng hiển thị dưới định dạng BMP trên thiết bị USB.

4.2. Kết quả Thử nghiệm và Đánh giá Hiệu suất

Kết quả thử nghiệm cho thấy máy đo dạng sóng hoạt động ổn định với các loại tín hiệu khác nhau. Dạng sóng được hiển thị trên màn hình với độ chính xác cao, phù hợp với dạng sóng tham chiếu từ máy đo chuyên dụng. Hệ thống có thể lưu trữ và truyền dữ liệu qua USB, cung cấp một công cụ hữu ích cho các ứng dụng đo lường trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan. Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, các chuẩn truyền, giao thức.

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống. Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống. Chương 4: Thiết Kế Hệ Thống. Thiết kế hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình.

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá. Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời nêu ra hướng phát triển cho hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC MÁY ĐO DẠNG SÓNG. Máy đo dạng sóng “Oscilloscope” là một thiết bị hiển thị đồ thị, nó vẽ ra đồ thị của các tín hiệu điện. Trong hầu hết các ứng dụng, đồ thị chỉ ra tín hiệu thay đổi thế nào theo thời gian: Trục dọc (Y) biểu diễn điện áp và trục ngang (X) biểu diễn thời gian.

Máy đo dạng sóng có thể coi là công cụ hữu ích luôn song hành cùng những chuyên gia nghiên cứu về công nghệ và đông đảo những người làm nghề sản xuất, lắp ráp, sửa chữa các thiết bị điện tử viễn thông, CNTT, và công nghệ cao chuyên nghiệp.1 Công dụng của Máy hiện sóng:  Nhận dạng tín hiệu (Xung vuông, răng cưa, hình sin, tin hiệu hình, tín hiệu tiếng…)  Xác định rõ các giá trị thời gian và mức điện áp và đường đi của một tín hiệu  Tính toán được tần số của một tín hiệu dao động  Nhận thấy “các phần động” của một mạch điện được biểu diễn bởi tín hiệu  Chỉ ra nếu một thành phần lỗi làm méo dạng tín hiệu  Tìm ra tín hiệu như thế nào là dòng một chiều hay dòng xoay chiều  Chỉ ra tín hiệu như thế nào là nhiễu và nếu có thì nhiễu thay đổi thế nào theo thời gian. Sự hữu ích của một máy hiện sóng không bị giới hạn chỉ trong thế giới của các thiết bị điện tử. Với một bộ chuyển đổi thích hợp, một. Máy đo dạng sóng có thể đo đạc được tất cả các kiểu hiện tượng về vật lí, âm thanh, áp lực cơ khí, áp suất, ánh sáng hoặc nhiệt độ.

Một kỹ sư ô tô có thể dùng. Máy đo dạng sóng để đo đạc sự rung của động cơ. Một nghiên cứu sinh y khoa có thể dùng máy đo dạng sóng để đo đạc các sóng não. Các khả năng là rất lớn! 2.2 Oscilloscope số và tương tự: Thiết bị điện tử có thể chia làm hai loại: Tương tự và số.

Thiết bị tương tự làm việc với các điện áp biến đổi liên tục, trong khi thiết bị số làm việc với các số nhị phân rời rạc mà có thể biểu diễn các mẫu điện áp. Các máy Oscilloscope cũng có loại tương tự và số: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Máy hiện sóng tương tự: làm việc trực tiếp với điện áp đặt vào được đo để di chuyển dòng electron ngang qua màn hình máy oscilloscope. Trái lại, máy hiện sóng số lấy mẫu dạng sóng và dùng một bộ chuyển đổi tương tự/số (A/D) để chuyển đổi điện áp được đo thành thông tin số.

Sau đó, nó dùng thông tin số này để tái cấu trúc lại dạng sóng trên màn hình Đối với nhiều ứng dụng, hoặc là máy oscilloscope số hoặc là máy oscilloscope tương tự sẽ được dùng. Tuy nhiên, mỗi loại máy có một số đặc tính riêng làm cho nó thích hợp hơn hoặc kém thích hợp hơn trong các tác vụ riêng. Người ta thường ưu tiên chọn các máy hiện sóng tương tự hơn vì nó quan trọng để hiển thị nhanh chóng các tín hiệu đang thay đổi trong thời gian thực (hay như là chúng đang diễn ra) Máy hiện sóng số: cho phép bạn ghi lại và xem các sự kiện mà chúng có thể chỉ diễn ra duy nhất 1 lần. Chúng có thể xử lý dữ liệu dạng sóng số và gửi các dữ liệu đó tới máy tính để xử lý.

Như vậy, chúng có thể lưu trữ dữ liệu dạng sóng số để xem và in ra sau đó.3 Nguyên lý hoạt động của máy Oscillocope Máy oscilloscope tương tự gồm một đèn điện tử (cathode ray tube), mặc dù kích thước và hình dạng khác nhau nhưng nguyên lí hoạt động thì giống nhau. Bên trong ống là chân không. Chùm điện tử được phát ra từ cathode được làm nóng ở phía sau ống chân không được gia tốc và làm cho hội tụ bởi một hay nhiều anodes đập vào phía trước ống làm một điểm trên màn hình phủ photpho của ống phát sáng. Chùm điện tử được bẻ cong ,được làm lệch nhờ điện áp đặt vào các bản cực cố đình trong ống chân không.

Các bản cực lái tia theo chiều ngang hay các bản cực X tạo ra chuyển động của chùm điện tử theo phương ngang. Chúng được liên kết với một khối hệ thống gọi là “chu kì cơ sở”.Cái này tạo ra một sóng dạng răng cưa nhìn thấy được trên màn hình oscillocope. Trong khi tăng pha của xung răng cưa, điểm sáng được điều khiển ở cùng tốc độ từ trái tới phải ra phía trước của màn hình trong suốt quá trình giảm pha, chùm điện tử quay lại nhanh chóng từ trái qua phải và điểm trên màn hình được để trắng để không hiển thị lên màn hình. Theo cách này,“chu kì cơ sở” tạo ra trục X của đồ thị tín hiệu trên màn hình của oscilloscope.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Độ dốc của sự sai pha thay đổi theo tần số của xung răng cưa và được điều chỉnh sử dụng núm điều khiển TIME/DIV để thay đổi thang đo của trục X. Việc màn hình chia thành các ô vuông cho phép thang đo trục ngang có thể được biểu diễn theo giây, mili giây hay micro giây trên môt phép chia (đơn vị chia). Tín hiệu được hiển thị được kết nối với đầu vào.

Chuyển mạch DC/AC thường được giữ ở vị trí DC để có sự kêt nối trực tiếp với bộ khuếch đại Y. Ở vị trí AC chuyển mạch mở một tụ điện được đặt ở đường dẫn tín hiệu ngăn cản tín hiệu một chiều qua nó nhưng lại cho phép tín hiệu xoay chiều đi qua. Bộ khuếch đại Y được nối vào các bản cực Y để mà tạo ra trục Y trên đồ thị của tín hiệu hiển thị trên màn hình của oscilloscope. Bộ khuyếch đại Y có thể được điều chỉnh thông qua núm điều chỉnh VOLT/DIV để kết quả hiển thị hoặc quá bé hoặc quá lớn làm cho phù hợp với màn hình và có thể được nhìn thấy rõ ràng.

Thang đo thường sử dụng là V/DIV hay là mV/DIV. Mạch kích được sử dụng để làm trễ tín hiệu “chu kỳ cơ sở” để đồng bộ phần của tín hiệu ra hiển thị trên màn hình mỗi lần vết chuyển động qua. Hiệu ứng này cho ta hình ảnh ổn định trên màn hình làm cho nó dễ dàng được đo và giải thích tín hiệu. Thay đổi thang đo của X và Y cho phép nhiều tín hiệu được hiển thị, đôi khi nó cũng hữu ích để thay đổi vị trí các trục .Sự thay đổi này sử dụng núm điều chỉnh X- POS và Y-POS.

Oscilloscope tương tự: Khi các bạn nối đầu đo (dò) của máy oscilloscope vào mạch điện, tín hiệu điện áp đi qua đầu đo (dò) tới hệ thống dọc của máy oscilloscope. Tùy thuộc vào các bạn thiết đặt chia thang đo dọc (điều khiển Volts/div) như thế nào thì bộ suy hao làm giảm điện áp tín hiệu hoặc là bộ khuếch đại làm tăng điện áp tín hiệu. Điện áp đặt vào các bản lái tia làm cho một điểm sáng di chuyển (môt dòng electron đập vào lớp phosphor bên trong CRT tạo ra điểm sáng). Điện áp dương làm cho điểm sáng đi lên trong khi điện áp âm làm cho điểm sáng đi xuống.

Tín hiệu cũng đồng thời đi tới hệ thống Trigger để khởi động hay kích một “quét ngang”. Quét ngang là một thuật ngữ chỉ việc hệ thống ngang làm cho điểm sáng di chuyển ngang trên màn hình. Việc kích hệ thống ngang gây ra thời gian cơ bản để di BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT chuyển điếm sang ngang trên màn hình từ trái sang phải trong một khoảng thời gian xác định.

Nhiều lần quét thành các dãy nhanh làm cho chuyển động của điểm sáng được hợp thành một đường liền nét. Ở các tốc độ cao hơn, điểm sáng có thể quét ngang màn hình lên tới 500,000 lần mỗi giây. Cùng với nhau, việc quét ngang và việc lái dọc vạch ra một đồ thị tín hiệu trên màn hình. Bộ kích khởi là cần thiết để ổn định hóa tín hiệu tuần hoàn.

Nó đảm bảo rằng lần quét bắt đầu ở cùng một điểm với tín hiệu tuần hoàn, dẫn tới một hình ảnh rõ ràng được chỉ ra trên màn hình.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG 2.1 Tổng quan về ARM a. Giới thiệu về vi xử lý ARM: Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Acorn RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit kiểu RISC( thuộc kiến trúc Harvard, có tập lệnh rút gọn) được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Do đó có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà với các sản phẩm này việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàng đầu. Ngày nay ARM được ứng dụng và rộng rãi trên mọi lĩnh vực của đời sống: Robot, máy tính, điện thoại, xe hơi, máy giặt… BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Các ứng dụng của ARM b. Lịch sử phát triển của ARM: Việc thiết kế ARM được bắt đầu từ năm 1983 trong một dự án phát triển của công ty máy tính Acorn. Nhóm thiết kế hoàn thành việc phát triển mẫu gọi là ARM1 vào năm 1985, và vào năm sau, nhóm hoàn thành sản phẩm “thực” gọi là ARM2 với thiết kế đơn giản chỉ gồm 30000 transistor. ARM2 có tuyến dữ liệu 32 bit, không gian địa chỉ 26 bit tức cho phép quản lý đến 61 Mbyte địa chỉ và 16 thanh ghi 32 bit.

Thế hệ sau, ARM3 được tạo ra với 4 KB cache và có chức năng được cải thiện tốt hơn.