Nghiên cứu thiết kế hệ khuếch đại lock-In analog tần số 10KHZ

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 235 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ KHUẾCH ĐẠI LOCK-IN ANALOG TẦN SỐ 10KHZ Đặng Đình Tiệp 1*, Vũ Quốc Tuấn2, Bùi Ngọc Mỹ1, Chử Đức Trình3 Tóm tắt: Trên cơ sở lý thuyết hệ khuếch đại Lock- in Analog bài báo trình bày một thiết kế hệ khuếch đại Lock- in Analog tần số 10Khz với giá thành rẻ dựa trên các IC tích hợp có sẵn trên thi trường. Khuếch đại lock in sử dụng một kỹ thuật được biết đến là tách sóng nhạy pha để lấy ra chỉ thành phần tín hiệu đặc biệt tần số và pha của tín hiệu chuẩn. Các tín hiệu nhiễu ở các tần số khác tần số tín hiệu chuẩn sẽ bị loại ra và không ảnh hưởng đến kết quả đo. Từ khóa: Mạch khuếch đại Lock- in; Lock – in. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Khuếch đại lock in được sử dụng để phát hiện và đo đạc các tín hiệu AC rất nhỏ có thể xuống đến cỡ nano-Vôn. Độ chính xác có thể đạt được khi một tín hiệu nhỏ bị lấn át bởi nguồn nhiễu có thể gấp hơn hàng ngàn lần. Khuếch đại lock in sử dụng một kỹ thuật được biết đến là tách sóng nhạy pha[1] để lấy ra chỉ thành phần tín hiệu đặc biệt tần số và pha của tín hiệu chuẩn. Các tín hiệu nhiễu ở các tần số khác tần số tín hiệu chuẩn sẽ bị loại ra và không ảnh hưởng đến kết quả đo. Với ưu các ưu điểm đó khuếch đại lock-in được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như cảm biến tụ điện [2], cảm biến khí ga [3] hay đo giá trị điện trở siêu nhỏ [4]. Khuếch đại lock-in cũng có thể được thiết kế dưới dạng chíp [5] cho dễ sử dụng hoặc trên nền DSP hay bằng các thiết kế analog cho phù hợp với mục đích tích hợp vào thiết bị, hay giảm giá thành. Hình 1 là sơ đồ nguyên lý của một bộ khuếch đại lock- in, trái tim của một bộ khuếch đại Lock-in chính là khối tách sóng nhạy pha PSD (Phase Sensitive Detector) là một bộ nhân hai tín hiệu chuẩn và tín hiệu cần đo hay bộ mixer. Tín hiệu chuẩn Reference và tín hiệu cần đo được nhân với nhau bằng bộ mixer rồi sau đó tín hiệu lấy ra sau khi qua bộ lọc thong thấp (LPF) như được trình bày trên hình 1. Thiết kế khuếch đại lock in có thể trên cơ sở kỹ thuật analog hoặc trên nền kỹ thuật số. Giả sử tín hiệu chuẩn VReference được đưa vào đầu có dạng: Vr=Vr0 .cos(wrt). (1) Lúc đó tín hiệu vào VInput signal có dạng: Vs=Vs0cos(wst+φ)+VNoise (2) Trong đó VNoise là tổng nhiễu vào tín hiệu, trong trường hợp tổng quát VNoise có dải phổ trải rộng, wr là tần số góc của tín hiệu. Kỹ thuật điện tử Đ.Đ.Tiệp, V.Q.Tuấn, B.N.Mỹ, C.Đ.Trình, “Nghiên cứu thiết kế tần số 10KHz.” 236 Hình 1. Nguyên lý hệ khuếch đại Lock-in. Tín hiệu sau khi đi qua bộ mixer sẽ có dạng: Vpsd= Vr. Vs= Vr0 .cos(wrt).[ Vs0cos(wst+φ)+VNoise] (3) Vpsd = Vr0 .cos(wrt). Vs0cos(wst+φ)+ Vr0 .cos(wrt). VNoise (4) Xét thành phần: Vr0 .cos(wrt). Vs0cos(wst+φ) (5) Triển khai biểu thức 5 ta được: Vr0 .cos(wrt). Vs0cos(wst+φ) =     0 0 ( [ ] [ ]) 2 r s r s r s cos w w t cos w w t V V       (6) Xét trường hợp: wr ≠ ws Ta thấy toàn bộ phương trình (6) là một hàm tuần hoàn không có thành phần DC nên khi Vpsd cho qua thành phần lọc thông thấp (LPF) thì thành phần tín hiệu này sẽ bị triệt tiêu bằng không. Trong trường hợp wr = ws Khi đó:  [ r scos w w t   ] = cos (7) Thành phần trên không phụ thuộc vào tần số và nếu φ không đổi thì ta có thành phần DC Với: VpsdDC= 0 0 ( ) 2 r sV V cos  (8) Hay viết dạng tổng quát của tín hiệu ra: Vpsd= 0 0 ( ) 2 r sV V cos  +   0 0 [ ]) 2 r s r s cos w w t V V   )+ Vr0 .cos(wrt). VNoise (9) Trong trường hợp VNoise là phổ của các tần số không trùng với tần số của tín hiệu chuẩn wr thì biểu thức: Vr0 .cos(wrt). VNoise sẽ giống như triển khai của phương Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 237 trình (6), sẽ chỉ có thành phần tín hiệu AC dao động điều hòa chỉ khi nguồn nhiễu có cùng tần số với wr của tín hiệu thì lúc đó trong phương trình tổng quát (9) sẽ thêm thành phần DC gây bởi nhiễu cùng tần số. 2. NỘI DUNG 2.1. Thiết kế hệ khuếch đại Analog Lock-in 2.1.1. Thiết kệ bộ tách sóng nhạy pha (PSD) Bộ trộn tín hiệu tách sóng nhạy pha (PSD) được thiết kế theo như sơ đồ khối dưới đây: (Hình 2). Hình 2. Bộ trộn tín hiệu tách sóng nhạy pha (PSD). Hình 2 mô tả thiết kế của bộ tách sóng nhạy pha (PSD) dựa trên các IC tích hợp có sẵn trên thị trường. Trên sơ đồ IC khuếch đại vi sai AD620 được mắc phối hợp cùng IC chuyển mạch CD4066 để thành một bộ nhân với tín hiệu Vref là xung vuông với tần số góc wr. Trong hình 2 ở trên Rg là điện trở để điều chỉnh hệ số khuếch đại của mạch. Với ưu điểm của IC AD620 là một IC khuếch đại vi sai được tích hợp sẵn với nhiều ưu điểm như: thế input offset thấp chỉ khoảng 50µV, dải tần làm việc lên đến hơn 100Khz khi hệ số khuếch đại G=100, chỉ số CMRR=100dB khi G=10. Bằng cách dùng khóa chuyển mạch điện tử là IC CD4066, tín hiệu vào sẽ được chuyển mạch theo điều khiển của tín hiệu chuẩn Vr. Sau đó tín hiệu ra vừa được khuếch đại vừa được chuyển lần lượt qua hai trạng thái khuếch đại đảo và không đảo theo điều khiển của tín hiệu chuẩn. Trên hinh 3a mô tả tín hiệu ra của khối khi tín hiệu chuẩn (reference) cùng pha với tín hiệu vào, hình 3b tín hiệu chuẩn lệch pha với tín hiệu đầu vào 90 độ. Sơ đồ nguyên lý hình 2 được mô tả hoạt động dưa trên giản đồ xung hình 3. Trong trường hợp tín hiệu vào cùng pha với tín hiệu chuẩn, nghĩa là độ lêch pha φ=0 độ thì trong Kỹ thuật điện tử Đ.Đ.Tiệp, V.Q.Tuấn, B.N.Mỹ, C.Đ.Trình, “Nghiên cứu thiết kế tần số 10KHz.” 238 nửa chu kỳ đầu của tín hiệu, tín hiệu ra của khối tách sóng là tín hiệu vào Vs nhân với 1. Nửa chu kỳ tiếp theo tín hiệu vào Vr được nhân với -1 và dạng tín hiệu ra của khối như hình 3a là thành phần DC. Hình 3. Sơ đồ giản đồ xung mô tả hoạt động của khối tách sóng nhạy pha (PSD). Thành phần DC sau khi được qua bộ lọc thông thấp sẽ là giá trị trung bình của tín hiệu đo. Trường hợp khi tín hiệu lệch pha φ=90 độ, dạng tín hiệu ra sau khi nhân hai tín hiệu Vs và Vr sẽ chỉ là thành phần AC (hình 3b). Thành phần AC này sau khi cho qua bộ lọc thông thấp sẽ bị triệt tiêu bằng không. Giá trị của đầu ra phụ thuộc vào pha theo công thức: Vpsd=Vs.cos(φ) (10) Do vậy, trong các phép đo lock in ngoài thành phần φ=00 người ta còn lấy thành phần tín hiệu Vr lệch pha φ=90 0 để đo được cả thành phần thực và ảo của tín hiệu cũng như biên độ của tín hiệu. Để đảm bảo đo được thời gian thực, trong thiết kế này sử dụng hai bộ nhân dùng cho hai pha φ=00, φ=900 . 2.1.2. Khối phát tín hiệu chuẩn Hình 4. IC 8038 tạo tín hiệu chuẩn. Để phát xung chuẩn cho khuếch đại lock in, IC 8038 được sử dụng vì ưu điểm phát xung vuông lệch pha 900 so với tín hiệu sine của nó, hơn nữa IC 8038 là một IC thương mại tích hợp phát tín hiệu chuẩn có độ méo thấp khoảng (1%). 9 0 d e g r e e s 1 8 0 d e g r e e s a ) 1 - 1 1 S i g n a l R e f e r e n c e P S D o u t p u t 9 0 d e g r e e s b ) 1 - 1 1 1 8 0 d e g r e e s - 1 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 239 2.1.3. Khuếch đại thông thấp Mạch khuếch đại thông thấp được mô tả theo sơ đồ hình 5 dưới đây: Tần số cắt: 3 4 3 4 1 2 f f f f Fc R R C C  (11) 2.2. Kết quả sản phẩm của hệ thống 2.2.1. Kết quả đo của hệ khuếch đại Analog Lock-in Với mạch khuếch đại Lock – in đã được thiết kế, nhóm nghiên cứu đã khảo sát được tín hiệu trên đầu ra của hệ khuếch đại với pha 00 và 900 (Hình 6). Tín hiệu vào sau khi qua bộ PSD sẽ cho ra các dạng tín hiệu khác nhau tùy thuôc vào độ lệch pha của tín hiệu vào so với tín hiệu chuẩn. Ở pha 00 như ta thấy khi cùng pha với tín hiệu đo thì tín hiệu sẽ được khuếch đại đảo ở thời điểm 1800 ÷ 3600 và tín hiệu sẽ ở phần dương. Với đầu ra pha 900 thì dạng tín hiệu không giống như pha 00, có nửa âm nửa dương và khi qua mạch lọc thông thấp sẽ bị triệt tiêu hết tín hiệu. (a) (b) Hình 6. Hệ khuếch đại Lock-in khi lệch pha 00 (hình a) và 900(hình b). Rf3 10K Rf4 10K Cf4 104 GND Cf3 104 -9V +9V 2 3 1 4 8 TL082CN Hình 5. Mạch khuếch đại thông thấp (Second-order Active Low Pass Filter Circuit). Kỹ thuật điện tử Đ.Đ.Tiệp, V.Q.Tuấn, B.N.Mỹ, C.Đ.Trình, “Nghiên cứu thiết kế tần số 10KHz.” 240 2.2.2. Kết quả sản phẩm của hệ khuếch đại Analog Lock-in được thiết kế Hình 7. Hệ khuếch đại Lock-in. Hình 7 là kết quả sản phẩm của hệ khuếch đại lock in đã được chế tạo và thử nghiệm trong thực tế. 3. KẾT LUẬN Trên cơ sở lý thuyết hệ khuếch đại Lock- in Analog bài báo trình bày một phương pháp thiết kế hệ khuếch đại Lock- in Analog tần số 10Khz. Khuếch đại lock in sử dụng một kỹ thuật được biết đến là tách sóng nhạy pha để lấy ra chỉ thành phần tín hiệu đặc biệt tần số và pha của tín hiệu chuẩn. Các tín hiệu nhiễu ở các tần số khác tần số tín hiệu chuẩn sẽ bị loại ra và không ảnh hưởng đến kết quả đo. Dựa trên các loại ic có sẵn trên thị trường với giá thành rẻ, một bộ khuếch đại lock in đã được thiết kế và đo đạc cho thấy đáp ứng được các bài toán về đo tín hiệu nhỏ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Dr. G. Bradley Armen “Phase sensitive detection: the lock-in amplifier”, Department of Physics and Astronomy, 401 Nielsen Physics Building, The University of Tennessee, Knoxville, Tennessee 37996-1200. [2]. Paulina M. Maya-Hernández 1, Luis C. Álvarez-Simón 1, María Teresa Sanz-Pascual 1,* and Belén Calvo-López 2, “An Integrated Low-Power Lock-In Amplifier and Its Application to Gas Detection” ISSN 1424-8220 www.mdpi.com/journal/sensors. [3]. T. Vu Quoc, H. Nguyen Dac, T. Pham Quoc, D. Nguyen Dinh, T. Chu Duc, “A printed circuit board capacitive sensor for air bubble inside fluidic flow detection,” Microsystem Technologies Journal, 2014. [4]. Lars E. Bengtsson, “A microcontroller-based lock-in amplifier for sub-milliohm resistance measurements” Review of Scientific Instruments 83, 075103 (2012). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 241 [5]. Valero, N. Medrano, S. Celma, B. Calvo,”A CMOS 1.2-V 1.7-mW Lock-in Amplifier for sensing applications up to 0.7-MHz” conference, IEEE sensor 2014. ABSTRACT STUDY DESIGN SYSTEM IN ANALOG LOCK-IN AMPLIFIER FREQUENCY 10KHZ On the basis of theoretical amplification systems in Analog Lock- in. This paper presents a design method in Analog Lock- in amplification system frequency 10kHz. Lock - in amplifier uses a technique known as phase- sensitive detector to extract only signal components in particular frequency and phase of the reference signal. The interference signal in the other frequency reference signal frequency is removed and does not affect the measurement results. Keywords: Amplifier Lock- in; Lock- in Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1 Viện Khoa học – Công nghệ quân sự; *Email: Dangtiep.2011@gmail.com 2 Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam; 3Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội