• Không có kết quả nào được tìm thấy

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

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Chia sẻ "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"

Copied!
12
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Văn bản

(1)

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 kế 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 dữ 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

(2)

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, tốc 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 đầy 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.

(3)

-12V

C2 220p 1

2 +5V

R20

1k 2 1

AGND

AGND GAINA1

C3 1n 1

2

U3B

74LS393 13 12 11 109 8

14 7

A CLR QA QB QC QD

VCC GND

CHANNEL B

VrefClock GAINA1

- + U6B

TL084

5 6 7

411

C19

2.2n 1 2 R29

20k 2 1

+12V

DGND

R54 RESISTOR VAR

1 3

2

R24 680k 2

1 AGND

GAINB2

C20

270p 1 2

LOW-PASS FILTER

R13

20k 2 1

C14 220p 1

2 AGND

C46

1n

1 2

-12V

R47

1M 2 1 +12V

-12V

C18

1n 1 2

R10

10k 2 1

+5V

AGND - +

U6D TL084

12 13 14

411

R16

1k 2 1

C37

1n

1 2

R6

20k 2

1 AGND

- +

U6C TL084

10 9 8

411

R3

20k 2 1

-12V R23

1M 2 1

R1 680k 2

1

AGND

+12V R28RESISTOR 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

13 3

16 8 7 X0 X1 X2 X3

Y0 Y1 Y2 Y3

INH

A B

X Y

VDD VSS VEE

C39

104

1 2

AGND

AGND

R43

1k 2 1 J1

BNC 1

2

AGND

C6

1n 1 2

- +

U1D TL084

12 13

14

411

+5V

-12V

C16 150p 1

2 AGND

-12V C42

104 1 2

- +

U1B TL084

5 6

7

411

LEVEL SHIFTER

AGND

R34

10k 2 1

INPUTS

LOW-PASS FILTER

DGND

AGND

- +

U13B TL084

5 6

7

411

R11

10k 2 1 -

+ U6A

TL084

3 2 1

411

C41

1n

1 2

CHANNEL A

AUTORANGING

J2 BNC1

2

D5 ZENERBReset

12

C1 1u

12

- +

U13A TL084

3 2

1

411 -

+ U13D

TL084

12 13

14

411

AGND C17

150p 1

2

R38

10k 2 1 AGND

+5V

-12V

-12V -12V

R32

1 3

2

+12V

+12V -12V

R8

20k 2 1

R41

1k 2 1 AGND

+12V

C101u

12

C15 1n 1

2

R5

1k

2 1

+12V AGND

R40

1k 2 1 -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

7481

R44

1k 2 1

- +

U8 OP07

3 2

6

7481 C4

150p 1

2

+5V -5V

- +

U15 OP07

3 2

6

7481 AGND

AGND

LEVEL SHIFTER

+12V GAINB1

AGND -12V

+12V

+12V -

+ U1A

TL084

3 2

1

411

AGND AGND

R30

4k 2 1

C45

104 1 2

AUTORANGING

-12V C47

1n 1 2 R26

20k 2 1

C40

104

1 2

C21 150p 1 2

+12V AGND

VrefReset

-12V

C8

270p 1 2

AGND +12V

- +

U14 OP07

3 2

6

7481 VrefReset

+5V

D4

DIODEB 1 2

VrefClock GAINA2

D1

DIODEA 1 2

R9

20k 2 1

R37

20k 2 1

KENHA

- +

U13C TL084

10 9

8

411

C43

104

1 2

+12V R4

30k

2 1

R33

10k 2 1

R39

1k 2 1 C38

1n

1 2 -12V

- +

U1C TL084

10 9

8

411

R15

1k 2 1

C7

2.2n1 2

AGND

-12V R53

RESISTOR VAR

1 3

2

R42

10k 2 1 AGND

C9

150p1 2

D6 ZENERBClock

12

R19

1k 2 1

R27 RESISTOR VAR

1 3

2

+5V

R17

1k 2 1

R31

1 3

2

AGND

GAINB2 GAINA2

+12V R2

100k 2 1

R14

10k 2 1

AGND

GAINB1 -5V

R18

10k 2 1

U12

74HC4052 12 14 15 11

1 5 2 4

6

10 9

13 3

16 8 7 X0 X1 X2 X3

Y0 Y1 Y2 Y3

INH

A B

X Y

VDD VSS VEE

D2 ZENERAReset

12

AGND

AGND R7

4k 2 1

C5 150p 1

2

R25

100k 2 1

KENHB D3

ZENERAClock

12

AGND

AGND +12V

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

(4)

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

2 1

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 GNDVCC 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

GAINB2 2

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 4 2

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/HBEN BUSY/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

2 1

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

2 1

-12V ADD7

R36

8k2

2 1

U17C

74LS32 9

10 8

147

DB8 ADD7

R48 RESISTOR SIP 9

123456789

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 4 2

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/HBEN BUSY/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

ADDRESSB 2OE

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

(5)

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.

(6)

Hình 4. Giải thuật hiển thị dạng sóng và dữ liệu đo 3.1 Giai dọc và ngang

Oscilloscope mô phỏng phải có hầu hết các chức năng của một Oscilloscope thật sự, trong đó có vấn đề về giai số dọc (Vert.scale) gốc thời gian (Timebase), vị trí dạng sóng (Position), độ lợi (Gain), chọn kênh (View channel) . . . Sau đây là giao diện điều khiển:

Đổi từ dữ liệu sang pixel

Trục y là dữ liệu pixel tương ứng với chỉ số ở trục x chia giai biên

độ (để có thể thay đổi biên độ hiển thị).

Cờ cho phép vẽ nối điểm

Vẽ nối điểm dữ liệu

Trục x là [chỉ số] mẫu + hệ số thời gian (để có thể co giãn khoảng cách giữa các mẫu).

sai

đúng

Vẽ ra màn hình theo từng chấm điểm.

(7)

Để thay đổi giai biên độ (giai dọc) ta thay đổi giá trị biến giaibiendo trong chương trình; để thay đổi giai thời gian ta thay đổi giá trị biến giaichuky. Còn biến vitri là để thay đổi vị trí của hình vẽ (có thể di chuyển lên xuống), biến k=1 hoặc k=-1 để đảo dạng sóng tín hiệu (Invert).

3.2 Vẽ dạng sóng ra màn hình

Vẽ dạng sóng là hiển thị dữ liệu ra màn hình dựa vào các cách chọn lựa của người sử dụng:

chọn vẽ tín hiệu thực, vẽ tín hiệu sau khi đã được làm trơn theo các cách khác nhau (xem sau).

Người sử dụng còn có thể chọn các giai biên độ gốc thời gian và nhiều thuộc tính khác tùy ý như đã trình bày ở trên.

Hình 5 là ví dụ hiển thị dạng sóng tín hiệu của mạch bên ngoài. Cần lưu ý là ở dao động ký tương tự hai tín hiệu phải có tương quan tần số phù hợp (bằng nhau hay bội số của nhau) thì sự hiển thị mới vững, còn ở dao động ký số không có sự ràng buộc này.

Hình 5. Ví dụ hiển thị dạng sóng tín hiệu (dạng sóng vuông và sin có tần số độc lập) 3.3 Chọn màu

(8)

Chương trình cho phép thay đổi nét vẽ, màu sắc, màu nền . . . Đây là các thuộc tính tính về đồ họa trong Visual C++. Sau đây là màn hình chọn nét vẽ và màu:

3.4 Sử dụng con trỏ

Để có thể biết được tín hiệu tại một vị trí xác định trên màn hình có biên độ là bao nhiêu, khoảng cách thời gian giữa hai điểm tín hiệu là bao nhiêu, ta dùng con trỏ (Cursor). Giải thuật của phần sử dụng con trỏ chuột (kết hợp được với bàn phím) trình bày ở hình 6.

Hình 6. Giải thuật sử dụng cursor 3.5 Bộ định thời

Bộ định thời (Timer) trong Visual C++ chính là hàm SetTimer. Dùng bộ định thời để lặp lại việc nhận dữ liệu và vẽ lên màn hình sau một khoảng thời gian xác định mà không cần phải thông qua thao tác hay sự kiện.

3.6 Phóng to, thu nhỏ

Lựa chọn dùng cursor đo biên độ Lựa chọn dùng cursor đo thời gian.

Suy ra giá trị volt Suy ra giá trị thời gian giữa 2 vị trí Lựa chọn kênh đo

(9)

Để nhìn thấy rõ hơn dữ liệu hiển thị trên màn hình, ta phóng to hình lên bằng cách bấm nút Zoom in, đây là sự kết hợp giữa việc tăng chu kỳ ở trục x và tăng biên độ ở trục y, tương ứng là việc tăng giai trên màn hình.

Tương tự với phóng to, khi muốn thu nhỏ hình, ta bấm nút Zoom out, đây là sự kết hợp giữa việc giảm chu kỳ ở trục x và giảm biên độ ở trục y, tương ứng là việc giảm giai trên màn hình.

3.7 Hình Lissajous

Chức năng của Lissajous là để thấy sự lệch pha của hai tín hiện sin cùng biên độ, cùng tần số. Hai tín hiệu cùng pha: đường Lissajous là đường thẳng có hệ số góc là 1. Hai tín hiệu lệch pha 900: đường Lissajous là đường tròn. Hai tín hiệu lệch pha 1800: đường Lissajous là đường thẳng có hệ số góc là -1. Hình Lissajous cũng là cách cổ điển để so sánh tần số hai tín hiệu sin.

Vẽ đường Lissajous là vẽ biên độ của tín hiệu này theo biên độ tín hiệu kia.

3.8 Làm trơn dạng sóng

Một vấn đề then chốt của Oscilloscope hóa máy tính là phục hồi dạng sóng tín hiệu tương tự từ các trị lấy mẫu của nó (cung cấp bởi mạch ADC) như thế nào để cho dạng sóng trơn tru.

Cách nội suy làm trơn tùy thuộc vào dạng sóng (sin, vuông . . .) và tần số tín hiệu (nếu xử lý thời gian thực). Hàm fit (làm khớp) là hàm nội suy làm trơn dạng sóng.

Sau đây là một số kiểu làm trơn.

Lấy trung bình: Lấy trung bình qua một số điểm mẫu, thường là 3 hay 5, nói cách khác là cho tín hiệu qua một lọc trung bình di chuyển (moving average filter) bậc thấp.

Nội suy Spline bậc ba: Phương pháp biểu diễn gần đúng các hàm số bằng những đa thức trên từng đoạn nhỏ rồi ghép lại sao cho tại các điểm nối thỏa điều kiện cho trước gọi là phương pháp Spline. Thường dùng là Spline bậc ba (cubic Spline), là một công thức nội suy sao cho làm trơn đạo hàm bậc nhất và liên tục tới đạo hàm bậc hai trong một khoảng tại biên của nó.

Nội suy Hermite: Ở các nội suy Hermite ta dùng một đa thức bậc cao sao cho đa thức này và các đạo hàm bậc nhất, bậc hai, . . . có các giá trị đã biết tại điểm đầu, điểm cuối và các điểm trung gian. Màn hình bên trái cho thấy sự lựa ba kiểu làm trơn:

Việc làm trơn dạng sóng quá đáng sẽ làm giảm các biến động chuyển tiếp nhanh mà đôi khi rất cần thiết. Do đó phải tùy dạng tín hiệu vào mà chọn cách phù hợp.

3.9 Trigger

Mục đích của Trigger là hiển thị dữ liệu từ vị trí mức Trigger (Trigger level) đã chọn. Nếu dữ liệu tuần hoàn thì các lần vẽ lặp lại trùng nhau nên ta chỉ thấy một dạng sóng đứng yên (thuận tiện cho việc quan sát). Vị trí dữ liệu trong mảng có giá trị bằng hoặc gần mức Trigger

(10)

đã chọn được vẽ ra màn hình từ vị trí đó trở đi (cho đến hết số chu kỳ đã định). Cũng giống như Oscilloscope thật sự, ta có sự chọn lựa Trigger là +Slope (dốc lên) hay -Slope (dốc xuống), ngoài sự chọn mức. Màn hình ở trên (bên phải) cho thấy các kiểu trigger.

4. TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU

Sự thuận lợi của Oscilloscope số (ở đây là máy tính dùng như Oscillooscope số) là có thể tính toán và hiển thị nhiều tham số (đặc tính) của tín hiệu như: chu kỳ, tần số, trị đỉnh - đỉnh...

4.1 Chu kỳ, tần số

Trước tiên tìm giải thuật đo chu kỳ tín hiệu tuần hoàn, sau đó suy ra tần số.

4.2 Trị hiệu dụng (RMS)

Ở đây ta tính trị hiệu dụng dựa vào phép lấy tích phân số. Thường công thức hình thang (trường hợp đặc biệt của công thức Newton-Cotet) được dùng:

) 2

( 0 1

) 1

( y y

h dx x

h f

n nh

= +

+

với h = chu kỳ lấy mẫu, y0 và y1 là biên độ hai điểm lấy mẫu liên tiếp. Như vậy trị hiệu dụng là:

VRMS =

∫ ∑

=

+ +

= 1

1

2 1 2 0

2

2 1

1 N

i

i T i

y h y dt T

T V Trong đó: T: chu kỳ tín hiệu vào

yi, yi+1: các biên độ của 2 mẫu liên tiếp.

N: số điểm lấy mẫu trong 1 chu kỳ tín hiệu vào.

4.3 Trị đỉnh – đỉnh

Tìm trị của đỉnh dương và trị của đỉnh (đáy) âm trong mảng dữ liệu, sau đó suy ra trị đỉnh – đỉnh.

5. PHÂN TÍCH TẦN PHỔ TÍN HIỆU DÙNG FFT

FFT (Fast Fourier Transform) là thuật toán tính toán nhanh biến đổi Fourier rời rạc (Dicrete Fourier Transform – DFT) trong việc phân tích tần phổ tín hiệu. Ta lấy một số lượng mẫu đúng bằng bội số nguyên của một chu kỳ tín hiệu, phần còn lại xem các mẫu như bằng không (đây là cách độn không):

5.1 Chương trình biến đổi FFT thuận và nghịch

Vì toàn bộ phần mềm cho phòng thí nghiệm dùng mạng máy tính được viết bằng ngôn ngữ Visual C++ (ngoại trừ phần cơ sở dữ liệu có kết hợp với Access), không dùng MATLAB nên chúng tôi tự viết chương trình biến đổi FFT đã biết. Hình 7 là một ví dụ phân tích.

(11)

Hình 7. Phân tích phổ tín hiệu sin (méo và có nhiễu) 5.2 Độ méo hài

Phân tích FFT đã cho ra các thành phần hài của tín hiệu nên từ kết quả FFT ta có thể tính được độ méo hài toàn phần (Total Harmonic Distortion – THD). Vì FFT cho kết quả có đối xứng chẵn (đối xứng gương) nên khi tìm các hài chỉ cần dò tới N/2 là được.

6. LƯU TRỮ DỮ LIỆU

Chức năng cất dữ liệu cho phép người sử dụng lưu lại kết quả vào file, tiện cho việc lưu trữ và so sánh tín hiệu sau này. Ngược lại với chức năng cất dữ liệu là chức năng lấy dữ liệu để đưa file dữ liệu vào chương trình

In dữ liệu: Sau khi xem dữ liệu, ta có thể in ra giấy hình vẽ cùng với các thông số của tín hiệu đó.

7. KẾT LUẬN

Chúng tôi đã thiết kế và thực hiện độc lập một card thu nhận dữ liệu hai kênh với đặc điểm là có mạch tự động phân tầm (autoranging) và sử dụng vi điều khiển; hai yếu tố này làm tăng tính tự động và dễ sử dụng của Oscilloscope. Chúng tôi đã viết phần mềm gồm nhiều module cho hầu như tất cả các chức năng của một Oscilloscope số hai kênh: hiển thị (hai dạng sóng dịch chuyển và khuếch đại độc lập), đo (trị đỉnh – đỉnh, trị hiệu dụng, chu kỳ, tần số), phân tích (độ méo hài, tần phổ FFT). Chúng tôi đã thử nghiệm trên nhiều dạng sóng (sin, vuông, tam giác . . .) và so sánh với oscilloscope tương tự và oscilloscope số, độ chính xác về các phép đo tần số, biên độ, và các đại lượng khác đều tốt (tương đương) nếu tín hiệu vào có tần số dưới 10KHz tương ứng 1 chu kỳ tín hiệu lấy được trên 10 điểm mẫu. Với tín hiệu có tần số thấp, từ DC tới vài chục Hz, thường các oscilloscope tương tự không thể quan sát được, nhưng chúng tôi cũng viết các chương trình cho phép thu nhận tín hiệu dạng này và đảm bảo độ chính xác tương đương các oscilloscope số.

Phần mềm xem như đầy đủ với các giao diện thân thiện như Oscilloscope số thật sự, và cũng tương thích khi phần cứng thay đổi. Với linh kiện sử dụng hiện tại (khuếch đại thuật toán,

(12)

từ DC đến 50KHz. Đây là giới hạn rất hiển nhiên của công trình. Việc nâng cấp (dùng linh kiện cao cấp hơn và giao tiếp bus PCI) sẽ có thể đạt tần số đến vài Mhz nhưng cũng sẽ có thêm một vài vấn đề cần nguyên cứu giải quyết. Chúng tôi không có vấn đề gì lớn nhưng sẽ tốn kém rất nhiều đang thực hiện việc nâng cấp này.

CONVERTING A PC INTO TWO-CHANNEL DIGITAL OSCILLOSCOPE Nguyen Truong An, Pham Thi Thu Phuong, Huynh Huu Thuan, Nguyen Huu Phuong

University of Natural Sciences, VNU-HCM

ABSTRACT: Oscilloscope is a very important and popular measuring instrument for electronics and many other fields. It displays the waveform and various characteristics of signals. There are two kinds of oscilloscope: analog and digital. Digital oscilloscope is superior to analog one but is not as popular because of its higher cost. This paper presents the conversion of a PC into a two-channel digital oscilloscope, consisting of hardware which is a self-designed data acquision card, and the software which is a set of various programs written in Visual C++.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Hữu Phương et al, Xây dựng cơ sở phần cứng và phần mềm phòng thí nghiệm điện tử dùng mạng máy tính, báo cáo nghiệm thu đề tài NCKH trọng điểm ĐHQG – HCM, 2004

[2]. S.C. Gate and J. Becker, Laboratory Automation using IBMPC, Prentice Hall, 1999 [3]. D.V. Hall, Microprocessors and Interfacing – Programming and Hardware, 2nd Ed.,

McGraw-Hill, 1992

[4]. A.D. Helfrick and W.D. Cooper, Modern Electronic Instrumentation and Measurement Techniques, Prentice Hall, 1994

Tài liệu tham khảo

Tài liệu liên quan

Để khắc phục những vấn đề này, trong những năm gần đây nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong lĩnh vực điều khiển thông minh như là mạng nơron và logic mờ, bởi

- Câu hỏi: Trong phần mềm Mouse Skills, để chuyển sang mức tiếp theo mà không cần thực hiện đủ 10 thao tác thì cần nhấn phím:.. Nhấn

Phần mềm: Là những chương trình được viết ra bởi nhiều câu lệnh, mỗi câu lệnh hướng dẫn một thao tác cụ thể cần th ực hiện, để máy tính làm tốt chức năng của mình

Ở màn hình khởi động, em lựa chọn trò chơi nháy chuột vào biểu tượng rồi chọn một trong ba mức độ sau:. Để quay lại màn hình khởi động,

+ Nếu chọn bông hoa chứa câu hỏi bạn sẽ trả lời câu hỏi đó, đúng bạn được tặng một phần quà. ngược lại nếu trả lời sai hoặc không trả lời thì bạn nhường lại quyền

Các yếu tố ảnh hưởng đến đáp ứng khách quan sau HXTĐT trong nghiên cứu của chúng tôi cũng tương tự như với phác đồ TCF của Trần Bảo Ngọc (2011).. Một số yếu tố liên

Dao động của sợi dây gắn chặt tại hai đầu mút và của màng với biên gắn chặt được mô phỏng và phân tích ý nghĩa vật lý bằng cách sử dụng phần mềm Wolfram Mathematica (WM)..

Cấu trúc dãy nam châm kép Halbach được khảo sát theo các thông số kích thước của máy phát điện trong thiết bị chuyển đổi năng lượng sóng nhằm tăng cường mật