MỤC LỤC Thiết kế chíp đo khoảng cách dùng sóng siêu âm
Mục lục......................................................................................................................... 1
Các từ viết tắt.............................................................................................................. 4
Lời mở đầu................................................................................................................... 5
Chương1:
Tổng quan đề tài “Thiết kế chip đo khoảng cách dùng sóng siêu âm”............ 7
1.1Giới thiệu chương................................................................................................... 7
1.2 Giới thiệu đề tài..................................................................................................... 7
1.3 Tổng quan đề tài thiết kế..................................................................................... 8
1.4 Sơ đồ khối thiết kế............................................................................................... 9
1.4.1 Nguyên lý hoạt động.......................................................................................... 11
1.4.2 Chức năng các khối trong mạch...................................................................... 11
1.5 Công nghệ thiết kế................................................................................................. 13
1.6 Kết luận chương..................................................................................................... 14
Chương2: Công nghệ CMOS và chương trình mô phỏng HSPICE.................. 15
2.1 Giới thiệu chương.................................................................................................. 15
2.2 Công nghệ CMOS................................................................................................ 15
2.2.1 Giới thiệu về CMOS......................................................................................... 16
2.2.2 Các cổng logic cơ bản bằng CMOS............................................................... 18
2.2.2.2.1 Cổng NOT.................................................................................................... 18
2.2.2.2 Cổng NAND.................................................................................................... 18
2.2.2.3 Cổng NOR....................................................................................................... 19
2.3 Chương trình mô phỏng HSPICE..................................................................... 20
2.4 Kết luận chương................................................................................................... 21
Chương3: Thiết kế chi tiết các khối trong mạch................................................. 22
3.1 Giới thiệu chương................................................................................................. 22
3.2 Thiết kế các phần tử cơ bản............................................................................... 22
3.2.1 Thiết kế opamp.................................................................................................. 22
3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý.............................................................................................. 22
3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động..................................................................................... 24
3.2.1.3Tính toán thiết kế........................................................................................... 24
3.2.1.4 Các dạng mạch opam.................................................................................... 27
3.2.2 Thiết kế DFF...................................................................................................... 29
3.2.2.1 Thiết kế TGATE............................................................................................ 29
3.2.2.2 Sơ đồ nguyên lý DFF.................................................................................... 30
3.2.2.3 Nguyên lý hoạt động..................................................................................... 31
3.3 Các khối bên phát................................................................................................ 32
3.3.1 Khối tạo xung clock......................................................................................... 32
3.3.1.1 Sơ đồ nguyên lý.............................................................................................. 32
3.3.1.2 Nguyên lý hoạt động..................................................................................... 32
3.3.1.3 Tính toán thiết kế.......................................................................................... 33
3.3.2 Khối phát sóng sin............................................................................................ 34
3.3.2.1 Sơ đồ nguyên lý.............................................................................................. 34
3.3.2.2 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động.................................................... 34
3.3.3 Khối điều khiển timebase................................................................................ 37
3.3.3.2 Nguyên lý hoạt động..................................................................................... 37
3.3.3.3 Các mạch thành phần trong khối timebase............................................. 38
3.3.3.3.1 Mạch giải mã 3 sang 8............................................................................... 38
3.3.3.3.2 Mạch chia tần số......................................................................................... 39
3.3.3.3.3 Cổng OR_8 ................................................................................................. 42
3.4 Các khối ở bên thu................................................................................................ 42
3.4.1 Khối lọc nhiễu và khuếch đại tín hiệu vào.................................................... 42
3.4.1.1 Sơ đồ nguyên lý............................................................................................... 42
3.4.1.2 Nguyên lý hoạt động..................................................................................... 43
3.4.1.3 Tính toán thiết kế........................................................................................... 43
3.4.2 Khối chỉnh lưu chính xác và tách sóng đường bao....................................... 45
3.4.2.1 Sơ đồ nguyên lý và hoạt động mạch chỉnh lưu........................................... 45
3.4.3 Khối so sánh....................................................................................................... 52
3.4.3.1Sơ đồ nguyên lý mạch..................................................................................... 52
3.4.4 Khối điều khiển ................................................................................................. 52
3.4.4.1 Sơ đồ nguyên lý............................................................................................... 52
3.4.4.2 Nguyên lý hoạt động và tính toán thiết kế.................................................. 53
3.5 Kết luận chương..................................................................................................... 55
Chương 4: Mô phỏng......................................................................... 56
4.1 Giới thiệu chương.................................................................................................. 56
4.2 Mô phỏng các phần tử cơ bản............................................................................. 56
4.2.1 Mô phỏng opam.................................................................................................. 56
4.2.2 Mô phỏng DFF ................................................................................................... 60
4.3 Mô phỏng các khối ở bên phát............................................................................ 61
4.3.1 Khối tạo xung clock........................................................................................... 61
4.3.2 Khối tạo sóng sin................................................................................................ 62
4.3.3 Khối điều khiển timebase................................................................................. 63
4.4 Mô phỏng các khối bên thu................................................................................. 64
4.4.1 Khối lọc nhiễu và khuếch đại tín hiệu vào.................................................... 64
4.4.2 Khối chỉnh lưu chính xác và tách sóng đường bao....................................... 65
4.4.3 Khối so sánh....................................................................................................... 66
4.4.4 Khối điều khiển.................................................................................................. 67
4.4.5 Khối công tắc...................................................................................................... 68
4.5 Mô phỏng toàn bộ mạch....................................................................................... 69
4.5.1 Mô phỏng với f=30Khz, vThu=1Vpp, T =250C .............................................. 69
4.5.2 Mô phỏng với f=30Khz, T =250C , T2=0,T1=0,T0=0................................... 73
4.5.3 Mô phỏng với f=30Khz, Vthu=1Vpp ,T2=0,T1=0,T0=0............................... 75
4.5.4 Mô phỏng với T=25,Vthu=1Vpp ,T2=0,T1=0,T0=0................................... 76
4.6 Kết luận chương..................................................................................................... 78
Kết luận và hướng phát triển đề tài........................................................................ 79
Tài liệu tham khảo..................................................................................................... 80
Datasheet
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Trên thực tế thiết bị đo khoảng cách dùng sóng siêu âm đã được sản xuất và sử dụng. Tuy nhiên do kích thước lớn, cồng kềnh, công suất tiêu hao lớn, không thể tích hợp trong các vi mạch.Với đề tài “Thiết kế chip đo khoảng cách dùng sóng siêu âm”. Chúng em đã thiết kế được chip trên công nghê CMOS 0.35um.Với công nghệ này, chip tiêu thụ công suất ít, kích thước nhỏ gọn, do đó có thể tích hợp với các bo mạch khác để thực hiện nhiều chức năng khác nhau.
Trong đề tài này, chúng em đã xây dựng sơ đồ mạch, tính toán thiết kế từ phần tử nhỏ nhất cho đến các khối để xây dựng nên một mạch hoàn chỉnh đáp ứng yêu cầu của đề tài. Đồng thời, chúng em cũng thực hiện mô phỏng để chứng minh những thiết kế của mình là đúng với lý thuyết đã nêu ra. Chíp xây dựng có thể hoạt động ở các điều kiện nhiệt khác nhau.
Trong đồ án này, chúng em mới chỉ xây dựng và mô phỏng trên lý thuyết, chưa thực hiện được layout , chưa sản xuất được chíp cụ thể để đưa vào ứng dụng trong thực tế. Khi sử dụng chip này, yêu cầu người sử dụng phải có bộ hiển thị hiển thị và khuếch đại công suất phát. Chíp thiết kế chỉ phát được một tần số sóng siêu âm 30Khz.Trong mạch còn sử dụng các tụ có dung lượng lớn nên làm cho kích thước chip lớn.
Trong tương lai, nếu có cơ hội nghiên cứu tiếp đề tài này, em sẽ nghiên cứu thêm các hướng phát triển sau :
- Giảm dung lượng tụ xuống làm cho kích thước chip nhỏ xuống.
- Xây dưng thêm các khối có thể tạo ra các tần số phát khác nhau.
- Xây dựng thêm bộ hiển thị và công suất phát.
- Xây dựng layout mạch và sản suất chip để đưa vào ứng dụng thực tế.
- Tìm hiểu thêm các ứng dụng của mạch trong thực tế để tích hợp vào trong các vi mạch thực hiện được nhiều chưc năng hơn.
- Thực hiên thiết kế chip trên các công nghệ nhỏ hơn (cỡ 0.13um) để công suát tiêu tán và kích thước nhỏ gọn hơn.
CÁC TỪ VIẾT TẮT
CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
DFF D Flip- Flop
LSI Large Scale Integration
IC Integrated circuit
MOSFET Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor
NMOS N Metal Oxide Silicon
OPAMP Operational Amplifier
PMOS P Metal Oxide Silicon
TTL Transistor Transistor Logic
VLSI Very Large Scale Integration
THIẾT KẾ CHIP ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG SÓNG SIÊU ÂM
1 Cơ sở lý thuyết
Ta thiết kế chip phát ra sóng siêu âm và thu về sóng phản xạ đồng thời, ta sẽ đo được khoảng thời gian từ lúc phát sóng đi tới lúc thu về, để từ đó xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách máy phát đến chướng ngại vật theo hướng phát của sóng siêu âm.
Hình 1: Mô tả quá trình truyền sóng đi và nhận sóng về
Khoảng cách này được tính theo nguyên lý TOF (Time of light)
2 Tổng quan đề tài thiết kế
Hình 2: Sơ đồ miêu tả tổng quan đề tài thiết kế
- Đầu vào TRIGGER IN dùng để kích khởi mạch hoạt động
- Ba đầu vào T2,T1,T0 dùng để thiết lập chu kỳ của đầu ra Tpout, để tùy theo khoảng cách đo ta điều khiển sai số của mạch.
- Đầu vào RESET dùng thiết lập mạch về trạng thái ban đầu.
- Đầu ra Tpout là xung có chu kỳ được thiết lập bởi ba đầu vào T2,T1,T0 và xung này tồn tại từ lúc phát sóng cho đến lúc thu về .
- Đầu ra Tdout thể hiện khoảng thời gian trể từ khi phát sóng đến khi nhận lại sóng đã phát.
3 Thiết kế
Hình 3 Sơ đồ khối
3.1 Nguyên lý hoạt động
Ban đầu, một xung kích START từ bên ngoài vi mạch được đưa đến mạch điều khiển để kích khối tạo dao động sóng sin phát sóng, đồng thời đưa xung Tdout ở đầu ra lên mức 1. Sóng sin này đi qua tầng đệm rồi qua một mạch khuếch đại ở bên ngoài vi mạch và truyền đi trong không khí. Cùng lúc này, một mạch tạo xung clock được đưa đến mạch điều khiển timebase để tạo xung clock có chu kỳ mong muốn rồi đưa xung clock này đến đầu ra Tpout.
Tín hiệu nhận về qua bộ lọc nhiễu và khuếch đại tín hiệu đầu vào, sau đó được chỉnh lưu chính xác và tách sóng đường bao, rồi đưa đến mạch sửa dạng xung để tạo xung STOP, cuối cùng đưa đến mạch điều khiển để đóng khối phát sóng sin lại, cùng lúc đó kích xung đầu ra Tdout xuống mức 0 (như hình vẽ).
Ta thấy rằng, thời gian truyền sóng đi cho đến khi nhận sóng về chính là thời gian của xung Tdout.
Thời gian truyền = số xung đếm được * timebase
Khoảng cách= thời gian truyền * vận tốc sóng siêu âm /2
Trong khuôn khổ của đồ án này, chúng em chỉ hiển thị kết quả số xung đếm được trong khoảng thời gian kể từ khi phát sóng đến khi nhận sóng, kết quả tính toán khoảng cách theo công thức trên được hiển thị ở bên ngoài vi mạch.
3.2 Chức năng các khối trong mạch
- Khối tạo xung clock
Là một bộ dao động tạo ra sóng vuông cung cấp cho khối timebase ( dùng chia tần số), đồng thời kết hợp với mạch lọc thông dải tạo ra sóng sin phát đi.
- Khối phát song sin
Tạo sóng siêu âm có tần số f=30Khz để phát đi
- Khối điều khiển timebase
Dùng để thay đổi chu kỳ của xung ở ngõ ra Tpout. Xung ở ngõ ra này sẽ xuất hiện trong thời gian từ lúc phát sóng đi đến lúc nhận sóng về, khoảng thời gian này sẽ dài hay ngắn phụ thuộc vào khoảng cách từ chỗ phát sóng đến chỗ có vật phản xạ. Vì vậy cần phải thay đổi timebase cho phù hợp với ứng dụng cụ thể.
- Khối đệm
Dùng để cách ly tải với các khối trong chip, đồng thời cung cấp dòng ra lớn.
- Khối khuếch đại và lọc nhiễu
Bộ lọc cho một số thành phần tần số trong tín hiệu di qua và ngăn không cho các thành phần tần số khác đi qua. Trong không gian có nhiều tín hiệu hoạt động cùng với tín hiệu phát vì vậy để thu đúng tín hiệu phát đi ta dùng bộ lọc thông dải.
- Khối chỉnh lưu chính xác và tách sóng đường bao
Tín hiệu sau khi qua bộ chỉnh lưu sẽ được chỉnh lưu toàn kỳ, rồi đưa đến bộ tách sóng để được tín hiệu một chiều đưa vào khối so sánh.
- Khối so sánh
Tín hiệu đầu ra của tách sóng đường bao và chỉnh lưu chính xác có dạng :
ta cần tạo ra một xung STOP đưa vào mạch điều khiển để ngắt việc nhận tín hiệu. Muốn tạo xung STOP ta phải sửa dạng tín hiệu.Tín hiệu sau khi qua mạch sửa dạng có dạng:
Để sửa dạng tín hiệu ta dùng mạch so sáng bằng opam.
- Khối điều khiển
Gồm có 2 tín hiệu đầu vào START và STOP. Nếu đầu vào xung START =1 qua mạch điều khiển cho phép phát sóng sin. Nếu đầu vào xung STOP =1 qua mạch điều khiển ngắt việc phát sóng sin. Đồng thời ngõ ra của mạch điều khiển cũng chính là tín hiệu Tdout.
4 Kết quả mô phỏng
Hình 4: Sơ đồ mạch mô phỏng toàn mạch
Hình 5: Dạng sóng mô phỏng toàn mạch
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ts.Nguyễn Văn Tuấn “Giáo trình kỹ thuật mạch điện tử” Đại học bách khoa Đà Nẵng.
[2] ThS.Hoàng Lê Uyên Thục “Giáo trình xử lý tín hiệu số” Đại học bách khoa Đà Nẵng.
[3] Ths.Nguyễn Văn Phòng “Giáo trình kỹ thuật xung số” Đại học bách khoa Đà Nẵng.
[4] R.jacobbanker, IEEE series on microeletronic systems, “ CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation”.
[5] Johan H. Huijsing,Michiel Steyaert,Arthur H. M. van Roermund “Analog circuit design”.
[6] Franco Maloberti , “Analog design for CMOS VLSI systems”.
[7] John P.Uyemura, Georgra institute of technology, “ CMOS logic circuit design” .
[8] David A. Johns Ken Martin, “Analog integrated circuit design”.
[9] MC Graw Hill, International edition electrical enginering series, “ Design of analog CMOS integrated circuit”.
[10] http://en.wikipedia.org/wiki/Band-pass_filter
http://en.wikipedia.org/wiki/OPAMP
