HAUI-ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐTVT NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ADC LẤY MẪU TÍN HIỆU DẢI GỐC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ

HAUI-ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐTVT-NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ADC LẤY MẪU TÍN HIỆU DẢI GỐC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ Để hoàn thành đề tài đồ án này, lời đầu tiên em xin cảm ơn chân thành đến toàn thể thầy cô trong trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội và các thầy cô trong khoa Điện Tử những người đã tận tình hướng dẫn, dạy dỗ và trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong những năm vừa qua.Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Ngọc Anh đã hướng dẫn cho em những kiến thức, kỹ năng cơ bản cần có để hoàn thành đề tài nghiên cứu này.Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, cổ vũ và đóng góp ý kiến trong quá trình học tập, nghiên cứu.Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu đề tài, vì kiến thức còn hạn chế nên em vẫn còn nhiều thiếu sót khi tìm hiểu, đánh giá và trình bày về đề tài. Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của các thầy cô giảng viên bộ môn để đề tài của em được đầy đủ và hoàn chỉnh hơn.Em xin chân thành cảm ơn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LẤY MẪU TÍN HIỆU

DẢI GỐC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ

GVHD : TS Nguyễn Ngọc Anh Sinh viên : Tăng Xuân Biên

Mã số sinh viên: 2018606202

Hà Nội – Năm 2020

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH 1DANH MỤC BẢNG 1

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4

1.1 Phương án thực hiện 4

1.2 Phạm vi nghiên cứu 4

1.3 Ý nghĩa và thực tế của đề tài 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Giới thiệu về lấy mẫu tín hiệu 5

2.2 Định lý lấy mẫu Nyquist - Shanon 5

2.3 Lý tưởng 6

2.4 Các dạng biến thể trong thực tế 7

2.5 Giới thiệu các khối trong hệ thống lấy mẫu 7

2.5.1 Khối Sine wave 7

2.5.2 Khối Add 8

2.5.3 Khối product 8

2.5.4 Khối sample and hold 9

2.5.5 Khối Uniform Encoder 9

2.5.6 Khối Uniform Decoder 10

2.5.7 Khối Quantizer 11

CHƯƠNG 3 kết quả 12

3.1 Mô phỏng mạch và kiểm thử mạch 12

3.1.1 Mô phỏng Matlab Simulink 12

3.1.2 Thiết lập thông số 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

CHƯƠNG 1

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ mạch khuyếch đại BC 6

Hình 2.2 Sơ đồ tương đương xoay chiều 6

Hình 3.1 Sơ đồ mạch Proteus 9

Hình 3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý Altium 9

Hình 3.3 Sơ đồ mạch in 10

Hình 3.4 Sơ đồ mạch in 3D sử dụng Altium 10

Hình 3.5 Là mạch 11

Hình 3.6 Ngâm mạch trong dung dịch mối ăn mòn 11

Hình 3.7 Hàn mạch 11

Hình 3.8 Khoan lỗ 11

Hình 3.9 Mặt trước của mạch 11

Hình 3.10 Mặt sau của mạch 11

Hình 3.11 Đo UBE 12

Hình 3.12 đo UCE 12

Hình 3.13 Đo tín hiệu vào 12

Hình 3.14 Đo tín hiệu ra 12

DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Bảng thống kê linh kiện 7

Bảng 3.1 So sánh kết quả lý thuyết và thực tế 12

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Ngọc Anh

đã hướng dẫn cho em những kiến thức, kỹ năng cơ bản cần có để hoàn thành

đề tài nghiên cứu này

Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã độngviên, cổ vũ và đóng góp ý kiến trong quá trình học tập, nghiên cứu

Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu đề tài, vì kiến thức còn hạn chếnên em vẫn còn nhiều thiếu sót khi tìm hiểu, đánh giá và trình bày về đề tài.Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của các thầy cô giảng viên bộ môn

để đề tài của em được đầy đủ và hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI MỞ ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển, khoa học kĩ thuật nói chung và ngành Điện

tử - Truyền thông nói riêng ngày càng được ứng dụng ở hầu hết các lĩnh vựctrong cuộc sống, mà đặc biệt là trong hệ thông thông tin số Hầu hết các tínhiệu cần truyền qua hệ thống thông tin số đều là tín hiệu tương tự Lĩnh vực

số hoá tín hiệu tương tự đã được nghiên cứu mạnh trong vài chục năm trở lạiđây Sự nghiên cứu đó đã tạo ra rất nhiều kiểu biến đổi khác nhau và trongmỗi kiểu lại có rất nhiều biến thể Và chọn kiểu cụ thể thế nào là phụ thuộcvào lĩnh vực ứng dụng và chất lượng truyền dẫn mà ta mong muốn đạt được

Từ đó, với những nhu cầu sản xuất thực tế và để góp phần làm sáng tỏ ứng dụng của ngành Điện tử - Truyền thông em đưa ra đề tài “NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LẤY MẪU TÍN HIỆU DẢI GỐC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ.”

Thực hiện đề tài giúp em ứng dụng những kĩ thuật công nghệ điện tửviễn thông áp dụng vào hệ thống thông tin số, quá trình chuyển đổi tín hiệutương tự sang tín hiệu số Và hơn thế nữa giúp em phát triển bản thân, chứngminh khả năng và sự hiểu biết cũng như những kiến thức đã được dậy từ cácthầy cô trong nhà trường để hoàn thiện đề tài của mình và giúp ích cho xã hội

Với đề tài này, báo cáo của em gồm những nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2.1 Phương án thực hiện

Với giới hạn của đề tài “nghiên cứu, mô phỏng hệ thống lấy mẫu tínhiệu dải gốc tín hiệu tương tự” những vấn đề chính cần nghiên cứu là:

Áp dụng những kiến thức đã được học của các môn học trên lớp như:

“Truyền thông số, Mô hình hoá và mô phỏng hệ thống điện tử - viễn thông, ”

Các kĩ năng cần có khi thiết kế là: Kỹ năng phân tích mạch, kỹ năng tìm

và đọc tài liệu tiếng anh, kỹ năng tính toán, chọn thông số, kỹ năng sử dụngcác phần mềm mô phỏng mạch, đồng thời cũng cần tìm hiểu một số tài liệukhác

Các kỹ năng và kiến thức then chốt phải học trong chủ đề nghiên cứu:

Kỹ năng lập kế hoạch làm việc, phân tích lựa chọn ý tưởng khả thi, kỹ năngphân tích mạch, mô phỏng, hiệu chỉnh mạch Đối với kiến thức phải học làkiến thức về truyền thônh số, kiến thức về xử lý tín hiệu số, về các phần mềm

-Quá trình lấy mẫu

- Các biến dạng lấy mẫu trong thực tế

- Mạch lấy mẫu

2.3 Ý nghĩa và thực tế của đề tài.

Trong thực tế, các tín hiệu liên tục được lấy mẫu bằng cách sử dụngmột mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC), đây là mộtthiết bị không lý tưởng Điều này sẽ dẫn đến xuất hiện một độ lệch trong quátrình tái dựng lại tín hiệu so với thực tế lý thuyết, gọi chung là méo

Để làm rõ và tìm hiểu thêm về lĩnh vực số hoá tín hiệu tương tự và đặcbiệt là quá trình lấy mẫu Nên em đã chọn đề tài “nghiên cứu, mô phỏng hệthống lấy mẫu tín hiệu dải gốc tín hiệu tương tự” là một ví dụ điển hình



CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Giới thiệu về lấy mẫu tín hiệu

Trong xử lý số tín hiệu lấy mẫu là quá trình rời rạc hoá tín hiệu tương tự(analog signual) theo thời gian Nói cách khác, đó là quá trình khai triển tínhiệu tương tự thành tập hợp các giá trị tức thời của tín hiệu tại các thời điểmnhất định cách đều nhau Khoảng cách giữa hai thời điểm lấy mẫu tuân theođịnh lý lấy mẫu

3.2 Định lý lấy mẫu Nyquist - Shanon

Hình 2.1 Lấy mẫu tín hiệu

Định lý: Một tín hiệu x(t) liên tục theo thời gian có phổ hạn chế hoàntoàn được xác định bằng một dãy các giá trị tức thời lấy cách nhau một đoạn

T S ≤ 1

(2 f max)

Trong đó:

f max là tần số cao nhất của tín hiệu cần lấy mẫu;

T S là chu kỳ lấy mẫu;

f s là tần số lấy mẫu;

Suy ra f min = 2 f c và T smax = 1

(2 f c)

T smax là khoảng thời gian dài nhất (còn gọi là khoảng Nyquist) giữa hai

thời điểm lấy mẫu khi lấy mẫu tín hiệu băng tần thấp có phổ hạn chế (băng

thông từ 0 đến w c), và vẫn cho phép khôi phục lại tín hiệu ban dầu một cách

trung thực

Trường hợp tín hiệu tương tự là tín hiệu thông dải có phổ từ f minđến f max

thì tần số lấy mẫu được chọn như sau:

số các mẫu nếu tỷ lệ lấy mẫu lớn hơn 2f max mẫu trong một giây, Shannon cho

rằng nếu tín hiệu có chứa một thành phần có tần số chính xác bằng f max, thì

Tín hiệu sau khi lấy mẫu là s a :

s a(t )=s(t).∑

n=−∞

∞

δ (t−nT ).Phổ tần của s a là chuỗi Fourier của tín hiệu s a :

S a (f )=S (f )∗¿]

Phổ tần này chứa đựng một yếu tố của hàm sinc Điều này có thể sailệch tín hiệu phục hồi và phải được khắc phục bởi một bộ lọc tái thiết(reconstruction filter)

Hình 2.2 Dạng tín hiệu sau khi quá trình lấy mẫu

Tần số bằng một nữa tỷ lệ lấy mẫu là một chặn trên của tần số cao nhấttương ứng với các tín hiệu lấy mẫu Tần số này (một nửa tỷ lệ lấy mẫu) đượcgọi là tần số Nyquist của một hệ thống lấy mẫu Có thể quan sát thấy các tần

số lớn hơn tần số Nyquist f N trong tín hiệu lấy mẫu, nhưng tần số này không

rõ rang Một phần tín hiệu có tần số f không thể được phân biệt với các thànhphần khác có tần số Nf n +f và N f n – f với N là số nguyên dương khác 0, sự

không rõ ràng này được gọi là hiệu ứng chồng phổ hay răng cưa Để xử lý vấn

đề này một cách càng mịn càng tốt, hầu hết các tín hiệu tương tự (anolog)được lọc với một số bộ lọc chồng răng cưa (thương là một bộ lọc thông thấpvới tần số cắt tại tần số Nyquist) trước khi chuyển đổi để lấy mẫu

3.4 Các dạng biến thể trong thực tế

Trong thực tế, các tín hiệu liên tục được lấy mẫu bằng cách sử dụngmột mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC), đây là mộtthiết bị không lý tưởng Điều này dẫn đến xuất hiện một độ lệch trong quátrình tái dựng lại tín hiệu so với lý thuyết, gọi chung là bị méo

Các loại méo có thể xảy ra, bao gồm:

 Răng cưa hay hiện tượng chồng phổ (aliasing): một điều kiện tiênquyết của định lý lấy mẫu là tín hiệu phải có được giới hạn băngtần (bandlimited) Tuy nhiên, trong thực tế, không có tín hiệu nàotrong thời gian vô hạn mà có băng tần hữu hạn cả

 Jitter: là hiện tượng xung đồng bộ (xung điều khiển khoảng cáchthời gian lấy mẫu) bị méo dạng hoặc bị sai lệch một cách khôngđồng đều

 Nhiễu: bao gồm cả nhiễu do nhiệt hoặc nhiễu trong mạchanalog…

 Lỗi do vận tốc tăng thế (Slew rate), gây ra bởi giá trị ngõ ra củathiết bị chuyển đổi ADC không thể thay đổi đủ nhanh

 Lượng tử hoá như một hệ quả của độ chính xác hữu hạn các từđại diện cho các giá trị chuyển đổi

 Sai số mã hoá hay sai số lượng tử (Quantization): là lỗi xảy ratrong quá trình số hoá các giá trị của tín hiệu mẫu Số bít mã hoácàng lớn thì sai số lượng tử sẽ càng nhỏ.

3.5 Giới thiệu các khối trong hệ thống lấy mẫu

3.5.1 Khối Sine wave

Hình 2.3 Ký hiệu của khối Sine Wave

Đầu ra của sinewave:

O(t) = Amp*Sin (Freq*t+Phase) + Bias

Kiểu sin xác định kỹ thuật tính toán được sử dụng Các thông số tronghai loại có liên quan với nhau thông qua:

Samples per period = 2*pi / (Frequency * Sample time)

Number of offset samples = Phase * Samples per period / (2*pi)

Ở giá trị Sine type chọn kiểu sample-based nếu sự cố số do chạy trongthời gian lớn (ví dụ: tràn trong thời gian tuyệt đối) xảy ra

Sine type:

- Time based: Chế độ dựa theo thời gian

- Sample based: Chế độ dựa trên lấy mẫu

Time(t):

- Use simulation time: Sử dụng thời gian mô phỏng

- Use external signal: Sử dụng tín hiệu bên ngoài

3.5.2 Khối Add

Hình 2.4 Ký hiệu khối add

Khối có chức năng thêm hoặc bớt đầu vào

3.5.3 Khối product

Hình 2.5 Ký hiệu của khối product trong Simulink

Nhân và chia các ma trận vô hướng và không phương hoặc nhân và đảocác ma trận.

Khối Product xuất kết quả của việc nhân hai đầu vào: hai đại lượng vô

hướng, một đại lượng vô hướng và một đại lượng không phương hướng hoặchai phi phương vị có cùng kích thước Các giá trị tham số mặc định chỉ địnhhành vi này là:

- Multiplication: Element-wise

- Number of inputs: 2

Chế độ wise: khi khối product hoạt động ở chế độ wise nó sẽ hoạt động trên các phần tử số riêng lẻ của bất kỳ đầu vào nào Khối Product có thể thực hiện nhiều phép toán nhân, chia và nghịch đảo số

Element-học

3.5.4 Khối sample and hold

Hình 2.6 Ký hiệu cảu khối Sample and Hold

Chức năng: Khối lấy mẫu và giữ tín hiệu đầu vào

Khối Sample and hold lấy đầu vào tại cổng tín hiệu bất cứ khi nào nónhận được sự kiện kích hoạt tại cổng kích hoạt (được đánh dấu bằng ) Sau

đó, khối giữ đầu ra ở giá trị đầu vào thu được cho đến khi sự kiện kích hoạttiếp theo xảy ra

3.5.5 Khối Uniform Encoder

Hình 2.7 Ký hiệu khối Uniform Encoder

Chức năng khối: Lượng tử hóa và mã hóa đầu vào dấu phẩy động thànhđầu ra số nguyên

Khối Uniform Encoder thực hiện hai hoạt động sau trên mỗi mẫu dấuphẩy động trong vectơ hoặc ma trận đầu vào:

- Bits: Chỉ định số bit (B), cần thiết để biểu diễn đầu ra số nguyên

Số mức mà khối lượng tử hóa đầu vào dấu phẩy động là 2B

- Output data: Kiểu dữ liệu đâu ra của khối (Unsigned integerhoặc Signed integer)

o Unsigned outputs: uint8, uint16, uint32

o Signed outputs: int8, int16, int32

3.5.6 Khối Uniform Decoder

Hình 2.8 Ký hiệu khối Uniform Decoder

Chức năng: Giải mã đầu vào số nguyên thành đầu ra dấu phẩy động.Giải mã đồng nhất đầu vào với giá trị Đỉnh âm và dương Làm bão hòahoặc bọc đầu vào trong vùng tràn Kiểu dữ liệu đầu ra là kép hoặc đơn

Các thông số:

- Peak: Chỉ định biên độ lớn nhất được thể hiện trong đầu vàođược mã hóa Để giải mã chính xác các giá trị được mã hóa bằng

khối Bộ mã hóa đồng nhất, hãy đặt các thông số đỉnh trong cả haikhối thành cùng một giá trị.

- Bits: Chỉ định số lượng bit đầu vào (B) được sử dụng để mã hóa

dữ liệu (Con số này có thể nhỏ hơn tổng số bit được cung cấpbởi kiểu dữ liệu đầu vào) Để giải mã chính xác các giá trị được

mã hóa bằng khối Uniform Decoder, hãy đặt các tham số Bits

trong cả hai khối thành cùng một giá trị

- Overflow mode: Chỉ định hành vi của khối khi đầu vào sốnguyên nằm ngoài phạm vi có thể biểu diễn bằng B bit Các đầuvào ngoài phạm vi có thể bão hòa ở giá trị cực đoan hoặc quấntrở lại trong phạm vi

- Output type: Chỉ định độ chính xác của đầu ra dấu phẩy động,đơn hoặc kép

3.5.7 Khối Quantizer.

Hình 2.9 Ký hiệu khối Quantizer.

Tùy chọn đầu vào ở khoảng thời gian nhất định

Khối lượng tử hóa loại bỏ tín hiệu đầu vào bằng cách sử dụng một thuậttoán lượng tử hóa Khối sử dụng phương pháp làm tròn đến gần nhất để ánh

xạ các giá trị tín hiệu thành các giá trị lượng tử hóa ở đầu ra được xác địnhbởi khoảng lượng tử hóa Tín hiệu đầu vào mượt mà có thể có dạng bậc thangsau khi lượng tử hóa

Phương trình này mô tả toán học phương pháp làm tròn đến gần nhất:

y = q * round(u/q)Trong đó: y là đầu ra lượng tử hóa

u là đầu vào

q là khoảng lượng tử hóa

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ 4.1 Mô phỏng mạch và kiểm thử mạch

4.1.1 Mô phỏng Matlab Simulink

Hình 3.10 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm matlab simulink

4.1.2 Thiết lập thông số

Hình 3.11 Thông số khối Sine Wave

- Sine type: Time based (chế

độ dựa trên thời gian)

- Time: Use simulation time (Sử dụng thời gian mô phỏng)

- Sample time: 1/80000

Hình 3.12 Thông số khối ADD

Tạo thông số cho khối Addvới 3 đầu vào

Hình 3.13 Thông số khối Pulse

Generator

-Pulse type: sample based

-Time(s): use simulation time.(Khối tạo ra một xung đầu ra trong

đó biến thời gian bằng với thờigian mô phỏng.)

-Giữ nguyên giá trị mặc định:amplitude (1), period (10), pulsewidth (5), phase delay (0)

-Initial condition: 0

Hình 3.16 Thông số khối

Uniform Encoder

Chọn thông số:

Peak: 1Bits: 8Output type: Unsigned integer

Hình 3.17 Thông số khối

Uniform Decoder

Chọn thông số:

Peak: 1Bits: 3Output type: Unsigned integer.Overflow mode: Saturate

Quantizer

Quantization interval: 0.5

4.2 Kết quả mô phỏng

Hình 3.19 Kết quả mô phỏng quá trình lấy mẫu

KẾT QUẢ

Trong quá trình làm đề tài đã giúp em ôn lại và vận dụng được nhữngkiến thức về tín hiệu và một số linh kiện khác, sử dụng kiến thức về phầnmềm proteus, Altium design để mô phỏng và vẽ mạch Kết quả là em đã hoànthành được sản phẩm “Mạch khuyếch đại Base chung sử dụng Transistor”.Mạch chạy ổn định, độ khuếch đại lớn đúng yêu cầu cầu của đề tài nhưng độkhuyếch thực tế không đạt được kết quả như trong lý thuyết Khi đưa sảnphẩm ra thực tế phát huy khả năng ở nhiều lĩnh vực, sản phẩm như mạchkhuyếch đại âm tần trong Cassete, Âm ly, khuyếch đại tín hiệu video trong Ti

vi màu v.v Trong laptop thì mạch khuyếch đại được sử dụng để khuyếch đại

âm thanh… Đồng thời, bộ khuyếch đại có thể thay đổi hệ số khuyếch đại tùyvào mục đích sử dụng nên em tự tin sản phẩm này có thể phát huy khả năng ởnhiều lĩnh vực Song với khả năng vẽ mạch, đi dây còn hạn chế nên sản phẩmcòn chưa được đẹp, còn nhiều dăm dây Do đây là lần đầu thiết kế và làmmạch thực tế cộng với kiến thức chuyên ngành còn hạn chế nên phần cứngkhông được đẹp như ngoài thị trường, hàn linh kiện còn chưa đẹp Đây cũng

là lần đầu thiết kế và làm mạch thực tế kinh nghiệm chưa nhiều nên em thấychưa hài lòng về mặt thẩm mỹ Mạch phải in lại nhiều lần để tối ưu hóa mạch

in Trong quá trình nghiên cứu đề tài, vì kiến thức chuyên ngành còn hạn chếnên em vẫn còn nhiều thiếu sót khi tìm hiểu tính toán và chọn giá trị linh kiện,nên độ khuyếch đại chưa được lớn Mong được thầy cô và các bạn bổ xung ýkiến

Vì đây là sản phẩm mẫu nên mới chỉ dừng lại ở hiển thị sóng đầu ratrên máy hiện sóng oscilloscope Và mạch khuếch đại Base chúng ít được sửdụng trong thực tế Mặc dù độ khuếch đại điện áp đầu ra của mạch còn khôngquá lớn nhưng em thử nghiệm lắp cho mạch đầu vào là tín hiệu nhạc từ điệnthoại và đầu ra là loa

Để hoàn thiện sản phẩm hơn nữa em mong nhận được sự góp ý từ cácthầy cô, bạn bè