Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Máy đo dạng sóng (Oscilloscope) là thiết bị đo lường hiển thị đồ thị biểu diễn sự thay đổi của tín hiệu điện áp theo thời gian (trục dọc $Y$ biểu diễn điện áp, trục ngang $X$ biểu diễn thời gian). Đây là công cụ kỹ thuật phục vụ việc kiểm tra, sửa chữa, nghiên cứu và phát triển trong các lĩnh vực kỹ thuật điện tử, viễn thông và điều khiển tự động. Tuy nhiên, các thiết bị hiện sóng thương mại chuyên dụng trên thị trường thường có giá thành cao, gây trở ngại cho sinh viên và người nghiên cứu khi cần trang bị thiết bị thực hành cá nhân tại nhà.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy đo dạng sóng" do sinh viên Trần Hữu Nghĩa và Phạm Phú Khải thực hiện (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Bộ môn Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan Vân Hoàn, tháng 07/2016) tập trung vào việc nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển 32-bit hiệu năng cao để chế tạo một máy đo dạng sóng số giá thành thấp, phục vụ nhu cầu học tập và thực hành kỹ thuật.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định trong văn bản gồm 7 nội dung:

  1. Tìm hiểu vi điều khiển kiến trúc ARM (Board STM32F4 Discovery sử dụng vi điều khiển STM32F407VGT6).
  2. Tìm hiểu nguyên lý và phương pháp đo dạng sóng tín hiệu xoay chiều (AC) và một chiều (DC).
  3. Thiết kế và thi công mạch xử lý, điều hòa tín hiệu đo AC và DC.
  4. Nghiên cứu và thực hiện giao tiếp giữa vi điều khiển và màn hình hiển thị LCD TFT.
  5. Nghiên cứu giao tiếp truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và bộ nhớ ngoài qua cổng USB.
  6. Thiết kế mô hình hoàn chỉnh của sản phẩm.
  7. Thử nghiệm, đo đạc và đánh giá kết quả thực hiện của hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống đo lường và xử lý dạng sóng tín hiệu điện áp thời gian thực, hiển thị trực quan và lưu trữ dữ liệu. Phạm vi và giới hạn của đề tài gồm:

  • Dải điện áp đo ngõ vào: Tín hiệu xoay chiều (AC) và một chiều (DC) có giá trị điện áp hiệu dụng trong khoảng $\le 12\text{ V}$.
  • Giới hạn phần cứng: Độ tin cậy về giá trị đo ở mức cơ bản, độ đáp ứng dạng sóng và sai số vẫn còn tồn tại; có hiện tượng nhiễu ảnh hưởng đến phép đo ở các mức điện áp thấp; sản phẩm chủ yếu định hướng ứng dụng trong môi trường học tập và nghiên cứu thực hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng nghiên cứu dựa trên các khối lý thuyết kỹ thuật điện tử và xử lý tín hiệu nhúng:

  • Nguyên lý máy hiện sóng: Phân tích sự khác biệt giữa máy hiện sóng tương tự (sử dụng ống phóng tia điện tử CRT, mạch quét ngang tạo sóng răng cưa đồng bộ với trục thời gian) và máy hiện sóng số (lấy mẫu tín hiệu qua bộ chuyển đổi tương tự - số A/D, xử lý dữ liệu và tái cấu trúc đồ thị trên màn hình hiển thị).
  • Kiến trúc vi điều khiển ARM Cortex-M4: Sử dụng vi điều khiển STM32F407VGT6 (32-bit, tần số hoạt động 168 MHz, 1 MB Flash, 192 KB SRAM, tích hợp FPU). Các khối ngoại vi chính được ứng dụng bao gồm:
    • Khối quản lý ngắt lồng nhau (NVIC): 16 cấp độ ưu tiên ngắt, quản lý 68 kênh ngắt có thể che (maskable) và 19 kênh ngắt ngoài (EXTI0 - EXTI18).
    • Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC): Độ phân giải 12-bit, tốc độ lấy mẫu đạt tới 2,4 MSPS ở chế độ đơn và lên đến 7,2 MSPS ở chế độ xen kẽ 3 ADC, dải điện áp chuyển đổi từ $0\text{ V}$ đến $3,6\text{ V}$.
    • Bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt (FSMC): Giao tiếp truyền dữ liệu 16-bit song song với màn hình LCD TFT ở tần số truy xuất cao (tối đa 60 MHz).
    • Bộ định thời (Timer): Sử dụng các bộ Timer 16-bit và 32-bit cho việc định thời lấy mẫu và bắt tín hiệu (input capture).
    • Chuẩn giao tiếp USB: Chuẩn USB 2.0 Full Speed (tốc độ truyền dữ liệu 12 Mbps) ở chế độ Host để lưu dữ liệu.
  • Lý thuyết mạch khuếch đại thuật toán (Op-amp): Sử dụng IC LM358 hoạt động ở cấu hình mạch cộng đảo 2 tầng nhằm cộng mức điện áp dịch (DC offset) vào tín hiệu xoay chiều và giữ nguyên pha của tín hiệu.
  • Mạch tạo nguồn âm: Sử dụng IC biến đổi điện áp ICL7660 để tạo mức nguồn âm $-5\text{ V}$ từ nguồn $+5\text{ V}$, cấp nguồn đối xứng cho Op-amp.
  • Cấu trúc định dạng tập tin đồ họa Bitmap (BMP): Cấu trúc tệp gồm 4 phần: Bitmap Header (14 bytes), Bitmap Information (40 bytes), Color Palette và Bitmap Data (lưu trữ mảng điểm ảnh 24-bit không nén).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật bao gồm:

  • Phân tích và tính toán thông số mạch phối hợp tín hiệu đầu vào (cầu phân áp, mạch dịch mức và khuếch đại đệm).
  • Thiết kế mạch in, tích hợp phần cứng gồm khối xử lý, khối đo, khối hiển thị cảm ứng và khối lưu trữ USB.
  • Lập trình firmware điều khiển trên phần mềm Keil C MDK-ARM.
  • Kiểm tra thực nghiệm: Dùng máy phát sóng tạo các dạng sóng chuẩn (Sin, Vuông, Tam giác, Răng cưa) và nguồn pin DC 9V để đo đạc đối chứng giữa sản phẩm thực hiện và máy đo thương mại chuyên dụng.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy đo dạng sóng được thiết kế theo cấu trúc module bao gồm 5 khối chức năng chính:

Khối chức năng Phần cứng / Linh kiện chính Vai trò kỹ thuật
Khối nguồn Adapter 220VAC sang 5VDC (1A), IC ICL7660 Cung cấp nguồn 5V cho toàn hệ thống và tạo mức áp âm $-5\text{ V}$ cho IC LM358
Khối đo điện áp Biến trở $RV_1$ (100kΩ), $RV_2$ (10kΩ), Op-amp LM358, Diode Zener 3.3V, tụ lọc 104 Suy hao điện áp vào $\le 12\text{ V}$, nâng mức offset $\approx 1,8\text{ V}$, cộng đảo 2 tầng để đưa tín hiệu về dải $0 - 3,6\text{ V}$ của ADC
Khối xử lý Kit STM32F4 Discovery (STM32F407VGT6) Lấy mẫu ADC 12-bit, tính toán biên độ, tần số, xử lý ngắt, điều khiển hiển thị và trích xuất ảnh
Khối hiển thị Màn hình LCD TFT 7 inch, IC cảm ứng TSC2046 Hiển thị đồ thị dạng sóng, thông số đo, giao diện nút bấm cảm ứng điều khiển
Khối lưu trữ Cổng giao tiếp USB 2.0 Host Lưu ảnh chụp màn hình dạng sóng ở định dạng .BMP vào ổ nhớ USB

Tính toán mạch xử lý tín hiệu đầu vào

Do ADC của STM32F407 chỉ chấp nhận mức điện áp từ $0\text{ V}$ đến $3,6\text{ V}$, mạch điều hòa tín hiệu được thiết kế để chuẩn hóa tín hiệu vào:

  1. Cầu phân áp: Sử dụng biến trở tinh chỉnh $RV_1 = 100\text{ k}\Omega$ để suy hao điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng đến $12\text{ V}$ xuống biên độ phù hợp ($< 1,8\text{ V}$).
  2. Mạch tạo áp lệch (Offset): Sử dụng biến trở $RV_2 = 10\text{ k}\Omega$ lấy điện áp từ nguồn $5\text{ V}$ để tạo mức điện áp dịch $V_{offset} \approx 1,8\text{ V}$, đưa tín hiệu xoay chiều về nửa dải dương.
  3. Mạch cộng đảo 2 tầng (sử dụng IC LM358):
    • Tầng 1: Mạch cộng đảo có ngõ ra: $$V_{o1} = - R_F \left( \frac{V_{in1}}{R_1} + \frac{V_{in2}}{R_2} \right)$$ Với $R_1 = R_2 = R_F = 2\text{ k}\Omega$, ta có $V_{o1} = -(V_{in} + V_{offset})$.
    • Tầng 2: Mạch đảo pha với $R_4 = R_5 = 2\text{ k}\Omega$ để đảo dấu ngõ ra $V_{o1}$, thu được tín hiệu đồng pha: $$V_o = V_{in} + V_{offset}$$ Các giá trị điện trở $2\text{ k}\Omega$ được tính toán nhằm thỏa mãn giới hạn dòng ngõ vào của LM358 ($I_{in} < 1,2\text{ mA}$) ở dải điện áp $0 - 3,6\text{ V}$.
  4. Bảo vệ quá áp: Đấu nối song song Diode Zener $3,3\text{ V}$ ở ngõ vào ADC để ngăn chặn hiện tượng quá áp bảo vệ vi điều khiển, kết hợp tụ $104$ ($0,1\text{ }\mu\text{F}$) lọc nhiễu tần số cao.

Triển khai phần mềm và giao tiếp

  • Giao tiếp LCD TFT 7 inch qua FSMC: Khối điều khiển sử dụng bus dữ liệu 16-bit ($D_0 - D_{15}$) kết nối với các chân cổng D và E của STM32F407 (PD14, PD15, PD0, PD1, PE7 - PE15). Các chân điều khiển gồm: RST (PD3), WR (PD5), CS (PD8), RS (PD11), RD (PD4).
  • Giao tiếp cảm ứng: IC cảm ứng điện trở TSC2046 giao tiếp với vi điều khiển qua các chân TP_IRQ (PB15), TSC (PA15), TDI (PB5), TDO (PB4), TSCK (PB3).
  • Thuật toán phần mềm: Chương trình được viết trên môi trường Keil C:
    • Khởi tạo hệ thống (clock vi điều khiển 168 MHz, cấu hình chân GPIO, khởi tạo FSMC cho LCD, cấu hình ngắt NVIC và Timer).
    • Vòng lặp quét: Đọc dữ liệu từ bộ chuyển đổi ADC, xử lý lấy mẫu theo chu kỳ quét, chuyển đổi các giá trị số thành tọa độ hiển thị và vẽ dạng sóng lên khung lưới (grid) của màn hình.
    • Chương trình con lưu ảnh: Khi nhận tín hiệu điều khiển từ màn hình cảm ứng, hệ thống đọc dữ liệu bộ đệm khung hình của màn hình, tạo cấu trúc tập tin Bitmap gồm 14 byte Header, 40 byte Information Header và ghi tuần tự dữ liệu màu 24-bit vào USB thông qua giao thức USB Host MSC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng Quan

Chương này trình bày lý do chọn đề tài, nêu bật sự cần thiết của máy đo dạng sóng trong kỹ thuật điện tử và rào cản chi phí của thiết bị thương mại đối với người học. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế máy đo dạng sóng số dùng ARM STM32F4, đề ra 7 nội dung nghiên cứu kỹ thuật cụ thể, xác lập các giới hạn đo lường ($\le 12\text{ V}$) và bố cục 6 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết các nguyên lý lý thuyết phục vụ thiết kế:

  • Khái quát về Oscilloscope, phân loại máy đo tương tự và số, nguyên lý hoạt động của ống CRT và khối quét ngang.
  • Kiến trúc dòng vi xử lý ARM, lịch sử phát triển từ ARM1 đến ARM Cortex, đặc tính vi xử lý ARM Cortex-M4 và dòng chip STM32F407VGT6.
  • Chi tiết các khối ngoại vi: Cấu hình bảng phân chia nhóm ưu tiên ngắt NVIC (5 tỷ lệ giữa PreemptionPriority và SubPriority), bộ định thời Timer 16/32-bit, bộ điều khiển FSMC giao tiếp bộ nhớ và LCD, nguyên lý hoạt động và tốc độ lấy mẫu của bộ chuyển đổi ADC 12-bit.
  • Thông số kỹ thuật của IC khuếch đại thuật toán LM358, IC biến đổi nguồn âm ICL7660 (dòng cấp typ. 175 µA, max 500 µA).
  • Đặc điểm cấu trúc tệp ảnh Bitmap (.BMP) không nén và chuẩn giao tiếp USB 2.0 (tốc độ truyền tải, cơ chế cấp nguồn, so sánh với USB 3.0).

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống

Chương 3 tập trung giải quyết các bài toán thiết kế phần cứng:

  • Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm 5 khối: Khối nguồn, Khối đo điện áp, Khối xử lý, Khối hiển thị và Khối lưu dữ liệu.
  • Tính toán chi tiết các tầng mạch đo điện áp: Cầu phân áp $RV_1 = 100\text{ k}\Omega$, mạch tạo điện áp lệch $RV_2 = 10\text{ k}\Omega$ ($V_{offset} \approx 1,8\text{ V}$), thiết kế mạch cộng đảo 2 tầng dùng LM358 với các điện trở $R_1 = R_2 = R_3 = R_4 = R_5 = 2\text{ k}\Omega$ nhằm đạt độ lợi $A = 1$ và khống chế dòng $I_{in} < 1,2\text{ mA}$.
  • Thiết kế mạch tạo nguồn $-5\text{ V}$ từ IC ICL7660 để nuôi op-amp.
  • Thiết kế sơ đồ kết nối chân giữa STM32F4 Discovery với IC cảm ứng TSC2046, màn hình LCD TFT 7 inch và cổng USB.
  • Tính toán công suất khối nguồn: Tính tổng dòng tiêu thụ toàn mạch (ICL7660: 50 mA, IC 4067: 50 mA, LM358: 1,2 mA, STM32F4 Discovery và LCD: ~500 mA) để lựa chọn nguồn Adapter $5\text{ V} - 1\text{ A}$.
  • Bản vẽ sơ đồ nguyên lý toàn mạch.

Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa phần cứng và phần mềm:

  • Lập bảng danh mục linh kiện thi công (STM32F4 Discovery, LCD TFT 7 inch, ICL7660, LM358, Diode Zener 3.3V, biến trở, tụ điện, điện trở).
  • Bản vẽ bố trí linh kiện 3D, layout mạch in lớp dưới và hình ảnh mạch thực tế sau thi công.
  • Xây dựng các lưu đồ giải thuật: Lưu đồ chương trình chính, lưu đồ chương trình con khởi tạo hệ thống và lưu đồ chương trình con lưu ảnh BMP vào USB.
  • Hướng dẫn thiết lập, tạo dự án, biên dịch và nạp mã nguồn trên phần mềm Keil C MDK-ARM cho vi điều khiển STM32F4.
  • Hướng dẫn thao tác giao diện người dùng trên màn hình cảm ứng LCD.

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá

Chương 5 công bố các kết quả đo đạc thực nghiệm trên mô hình thực tế:

  • Hình ảnh hoàn thiện của sản phẩm phần cứng.
  • Đo đạc và chụp ảnh đối chứng giữa sản phẩm tự chế và máy hiện sóng thương mại tiêu chuẩn trên các dạng tín hiệu:
    • Tín hiệu một chiều DC từ nguồn pin 9V.
    • Tín hiệu xoay chiều dạng hình Sin từ máy phát sóng.
    • Tín hiệu xung Vuông từ máy phát sóng.
    • Tín hiệu xung Tam giác từ máy phát sóng.
    • Tín hiệu xung Răng cưa từ máy phát sóng.
  • Kết quả trích xuất và hiển thị các file ảnh dạng sóng (.BMP) được ghi thành công vào bộ nhớ USB.
  • Phân tích sai số, đánh giá độ ổn định và khả năng hiển thị dạng sóng.

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, chỉ ra các hạn chế kỹ thuật chưa khắc phục và đề xuất các phương hướng nghiên cứu nâng cấp thiết bị trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình máy đo dạng sóng số cầm tay hoạt động ổn định với nguồn Adapter $5\text{ V} - 1\text{ A}$.
  • Mạch điều hòa tín hiệu xử lý thành công dải tín hiệu ngõ vào xoay chiều và một chiều có điện áp hiệu dụng $\le 12\text{ V}$, đưa về dải điện áp an toàn của ADC ($0 - 3,6\text{ V}$) thông qua mạch cộng đảo 2 tầng và mạch tạo điện áp lệch $1,8\text{ V}$.
  • Hiển thị trực quan dạng sóng và các thông số tín hiệu trên màn hình màu LCD TFT 7 inch thông qua giao tiếp bus 16-bit FSMC.
  • Nhận diện và hiển thị đúng đồ thị của 5 dạng tín hiệu cơ bản: Tín hiệu DC 9V, sóng Sin, sóng Vuông, sóng Tam giác và sóng Răng cưa.
  • Tích hợp thành công tính năng chụp ảnh màn hình dạng sóng và lưu trực tiếp thành tệp tin Bitmap 24-bit (.BMP) vào ổ nhớ USB thông qua chuẩn giao tiếp USB 2.0 Full Speed (12 Mbps).
Dạng tín hiệu thực nghiệm Nguồn phát tín hiệu Kết quả hiển thị trên LCD Kết quả lưu ảnh BMP qua USB
Điện áp một chiều (DC) Nguồn Pin 9V Hiển thị đường thẳng điện áp mức 9V Tệp ảnh BMP lưu thành công
Sóng hình Sin (AC) Máy phát sóng chuẩn Tái tạo dạng sóng sin chu kỳ ổn định Tệp ảnh BMP lưu thành công
Sóng xung Vuông Máy phát sóng chuẩn Hiển thị các sườn xung và mức logic Tệp ảnh BMP lưu thành công
Sóng Tam giác Máy phát sóng chuẩn Hiển thị dạng sóng dốc tuyến tính Tệp ảnh BMP lưu thành công
Sóng Răng cưa Máy phát sóng chuẩn Hiển thị dạng sóng dốc đơn Tệp ảnh BMP lưu thành công

Đóng góp thực tiễn

Đề tài cung cấp giải pháp thiết kế máy hiện sóng số chi phí thấp sử dụng vi điều khiển ARM Cortex-M4, chứng minh khả năng ứng dụng các ngoại vi tích hợp sẵn (ADC tốc độ cao, FSMC, USB Host) để xây dựng thiết bị đo lường chuyên dụng phục vụ công tác giảng dạy, học tập và nghiên cứu thực hành cơ bản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Dải đo điện áp còn hẹp, chỉ giới hạn trong dải điện áp ngõ vào xoay chiều và một chiều $\le 12\text{ V}$.
  • Tốc độ đáp ứng dạng sóng và độ tin cậy về giá trị đo đạc còn sai lệch nhất định so với máy đo tiêu chuẩn chuyên dụng.
  • Tồn tại hiện tượng nhiễu tín hiệu ở đầu vào, gây ảnh hưởng rõ rệt đến độ chính xác khi đo đạc các tín hiệu có biên độ điện áp thấp.

Hạn chế và hướng mở rộng theo phạm vi nghiên cứu

  • Nghiên cứu mở rộng dải đo điện áp ngõ vào bằng các tầng suy hao chuyển mạch tự động hoặc mạch khuếch đại lập trình được (PGA).
  • Nâng cấp thuật toán lọc nhiễu số và thuật toán lấy mẫu xen kẽ nhiều bộ ADC (Interleaved mode) để tăng tần số lấy mẫu thực tế.
  • Tối ưu hóa tốc độ vẽ đồ thị và bổ sung các phép đo tự động thông số tín hiệu (điện áp đỉnh - đỉnh $V_{pp}$, điện áp hiệu dụng $V_{rms}$, chu kỳ, tần số) trực tiếp trên giao diện màn hình cảm ứng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Tự động hóa, Viễn thông: Tham khảo tài liệu thiết kế phần cứng giao tiếp vi điều khiển ARM Cortex-M4 (STM32F407) với ngoại vi LCD TFT qua FSMC và IC cảm ứng TSC2046.
  • Người phát triển các hệ thống đo lường nhúng: Tham khảo phương pháp thiết kế mạch xử lý tín hiệu đầu vào tương tự (analog front-end), bao gồm mạch dịch mức điện áp (level shifter), mạch cộng đảo 2 tầng dùng Op-amp LM358 và mạch tạo nguồn âm với ICL7660.
  • Kỹ sư lập trình firmware: Tham khảo cấu trúc chương trình nạp - biên dịch trên Keil C, quy trình cấu hình ngắt NVIC/Timer, và thuật toán trích xuất dữ liệu khung hình hiển thị để tạo tệp ảnh Bitmap (.BMP) xuất qua giao tiếp USB Host MSC.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mạch đo đầu vào phải sử dụng mạch cộng đảo 2 tầng và điện áp offset 1,8V?

Bộ chuyển đổi ADC của vi điều khiển STM32F407 chỉ đọc được dải điện áp một chiều từ $0\text{ V}$ đến $3,6\text{ V}$. Tín hiệu xoay chiều (AC) có cả bán kỳ âm nên cần cộng thêm một mức điện áp một chiều $V_{offset} \approx 1,8\text{ V}$ (khoảng một nửa dải đo tối đa của ADC) để nâng toàn bộ tín hiệu lên dải điện áp dương. Mạch cộng sử dụng Op-amp LM358 ở cấu hình cộng đảo tầng 1 sẽ làm đảo dấu tín hiệu ($V_{o1} = -(V_{in} + V_{offset})$); do đó cần đi qua tầng cộng đảo thứ 2 với độ lợi $A=1$ ($R_4=R_5=2\text{ k}\Omega$) để đưa tín hiệu về lại đúng pha ban đầu ($V_o = V_{in} + V_{offset}$).

2. Vi điều khiển STM32F407VGT6 giao tiếp với màn hình LCD TFT 7 inch qua chuẩn ngoại vi nào?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt (FSMC - Flexible Static Memory Controller) của STM32F407VGT6 với bus dữ liệu song song 16-bit ($D_0 - D_{15}$) kết nối với các chân cổng D và E, cùng các chân tín hiệu điều khiển RST (PD3), WR (PD5), CS (PD8), RS (PD11), RD (PD4). Cơ chế FSMC cho phép vi điều khiển truy xuất màn hình với tốc độ cao tương tự như truy xuất bộ nhớ SRAM/NOR Flash nội.

3. Hệ thống tạo nguồn âm -5V cấp cho IC khuếch đại LM358 bằng cách nào?

Hệ thống sử dụng IC biến đổi điện áp bơm điện tích (switched-capacitor voltage converter) ICL7660. IC này nhận mức điện áp đầu vào $+5\text{ V}$ từ Adapter nguồn chính và thực hiện đảo cực để tạo ra mức điện áp âm $-5\text{ V}$ cấp trực tiếp cho chân $V_{CC-}$ của IC Op-amp LM358, giúp Op-amp xử lý trọn vẹn dải tín hiệu ngõ vào bao gồm cả phần điện áp âm trước khi qua mạch dịch mức.

4. Dữ liệu dạng sóng được lưu trữ vào bộ nhớ USB dưới định dạng nào và cấu trúc ra sao?

Dữ liệu dạng sóng được trích xuất từ màn hình hiển thị và lưu thành tập tin ảnh định dạng Bitmap không nén (.BMP) 24-bit màu. Cấu trúc tập tin gồm 4 thành phần: Bitmap Header (14 bytes) nhận dạng tệp tin, Bitmap Information Header (40 bytes) chứa thông tin chiều cao, chiều rộng và độ sâu màu của ảnh, Bảng màu (Color Palette) và mảng dữ liệu điểm ảnh (Bitmap Data) được ghi trực tiếp qua cổng USB Full Speed của kit STM32F4 Discovery.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy đo dạng sóng" đã nghiên cứu và triển khai thành công một thiết bị hiện sóng số cầm tay dựa trên nền tảng vi điều khiển 32-bit ARM STM32F407VGT6 kết hợp màn hình cảm ứng LCD TFT 7 inch. Hệ thống xử lý tốt các tín hiệu điện áp AC và DC trong dải đo $\le 12\text{ V}$, hiển thị chính xác các dạng sóng chuẩn (DC, Sin, Vuông, Tam giác, Răng cưa) và hỗ trợ lưu trữ tệp ảnh BMP qua cổng USB. Dù còn tồn tại một số hạn chế về dải đo và ảnh hưởng nhiễu ở mức áp thấp, kết quả đề tài là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng trong lĩnh vực thiết kế phần cứng nhúng và thiết bị đo lường điện tử.