BÁO cáo THỰC tập cơ bản đề tài THIẾT kế MẠCH IN BẰNG PHẦN mềm ORCAD MẠCH DAO ĐỘNG DỊCH PHA RC

Ở bài này, em đề cập tới mạch dao động dịch pha RC – Một loại mạch dao động tạo sóng hình sin và tần số dao động của mạch phụ thuộc vào thông số của phần tử R và C, thường được sử dụng ở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn: THS VŨ HỒNG VINH

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phương Linh

Hà Nội, tháng 11 năm 2021

MỤC LỤC

Giới thiệu về mạch dao động dịch pha RC 3

1 Giới thiệu chung 3

2 Nguyên lý hoạt động 3

3 Đánh giá 4

Thiết kế mạch nguyên lý 6

1 Tạo file nguyên lý 6

2 Thêm thư viện và linh kiện vào mạch nguyên lý 7

3 Đi dây linh kiện 11

4 Kiểm tra và chuẩn bị cho file PCB 12

Thiết kế mạch in PCB 14

1 Tạo file PCB 14

2 Thêm footprint cho linh kiện và đi dây 15

3 Phủ đồng và làm đường biên 21

Kết luận 24

1 Những điều đã học được 24

2 Những điều còn thiếu sót 24

3 Lời cảm ơn và cam kết 24

Tài liệu tham khảo 25

Giới thiệu về mạch dao động dịch pha RC

1 Giới thiệu chung

Mạch dao động là mạch có khả năng chuyển đổi năng lượng từ DC sang AC Có nhiều loại mạch dao động tạo ra các dạng song tín hiệu khác nhau như hình sin, vuông, tam giác, Ở bài này, em đề cập tới mạch dao động dịch pha RC – Một loại mạch dao động tạo sóng hình sin và tần số dao động của mạch phụ thuộc vào thông số của phần tử R và C, thường được sử dụng ở tần số thấp Có nhiều cách mắc mạch dao động dịch pha RC như dùng JFET hay Op Amp, BJT Trong nội dung báo cáo này, em sẽ đề cập tới cách dùng BJT

2 Nguyên lý hoạt động

Mạch dao động tạo song sin có nguyên tắc hoạt động chung: gồm 2 khâu, khâu 1 là khâu khuếch đại đóng vai trò duy trì dao động và khối 2 là khâu chọn lọc tần số dao động Mạch dao động dịch oha RC cũng có 2 khâu như vậy và gồm 2 khối: Khối khuếch đại đảo + khối hồitiếp là 3 bộ lọc thông cao RC; và phải đáp ứng 2 điều kiện theo tiêu chuẩn Barkhausen là tổng

độ lệch pha trong 1 vòng kín phải bằng 360 độ và độ lợi trong 1 vòng kín bằng 1

[Sơ đồ khối mạch dao động dịch pha]

Trước hết, về phần hồi tiếp:

Câu hỏi đặt ra tại sao ta cần dùng bộ 3 lọc thông cao RC chứ không phải 4 hay 5? Để hiểuđược điều đó, ta xét trường hợp đơn giản nhất - mạch chuyển pha chỉ sử dụng 1 điện tở và 1 tụđiện mắc nối tiếp như hình vẽ

Theo lý thuyết đã học lớp 12 về mạch RC, sự sụt giảm trên điện trở cùng pha với dòng điện còn trên tụ điện sẽ trễ pha 90 độ so với dòng điện, nên khi vẽ giản đồ vecto và tổng hợp 2vector, ta sẽ thi được góc lệch alpha Trong trường hợp lý tưởng, ta có thể tạo ra độ lệch pha gần 90 độ nhưng trong thực tế thì nó ít hơn nhiều do tụ điện không phải lý tưởng Chính vì vậy, ta cần điều chỉnh giá trị R và C để độ lệch pha đạt được là 60 độ và sử dụng tới 3 bộ lọc thông RC để tổng độ lệch pha là 180 độ, cộng với độ lệch pha ở khối khuếch đại đảo sẽ được

360 độ => Thỏa mãn điều kiện cần

Trong phần khuếch đại:

Một bóng bán dẫn được sử dụng như phần tử tích cực và điểm hoạt động của bóng bán dẫn được thiết lập bởi các điện trở và điện áp cung cấp Vcc

Hoạt động

Khi nguồn được cung cấp, điện áp nhiễu bắt đầu dao động trong mạch Dòng điện cực B ở

bộ khuếch đạo tạo ra độ lệch pha 180 độ cho dòng điện Tín hiệu đã bị lệch pha này được phảnhồi và bị lệch pha thêm 180 độ và tổng sẽ là 360 độ lệch pha Khi độ lợi vòng là 1 thì dao động duy trì sẽ được tạo ra

3 Đánh giá

Mạch dao động dịch pha RC là mạch dao động điện tử tạo ra sóng sin, trong bào này đượcthiết kế bằng sử dụng bóng bán dẫn Mạch dùng hồi tiếp dương có ưu điển làm tân tín hiệu ngõ vào của mạch khuếch đại, khiến độ lợi mạch khuếch đại tăng tuy nhiên thì độ lợi mạch không ổn định

Mạch dao động dùng BJT phụ thuộc vào các yếu tố bất ổn như sự thay đổi nhiệt độ, điện

áp nguồn cung cấp, điện dung kí sinh của transistor,… dẫn tới sự bất ổn định của biên độ tín hiệu ra cũng như tần số dao động Chất lượng mạch dao động phụ thuộc vào: Sự ổn định của nguồn cấp; thông số ổn định nhiệt của mạch; tần số dao động của mạch phải không có sự ảnh hưởng của điện dung kí sinh bên trong transistor

Do vậy, việc sử dụng Transistor để tạo dao động dịch pha RC:

- Chỉ ổn định cho các tần số thấp

- Yêu cầu mạch bổ sung để ổn định biên độ dạng sóng

- Độ chính xác của tần số không tuyệt đối

- Hiệu ứng tải bất lợi, càng nhiều bộ lọc xếp tầng sẽ càng ảnh hưởng tới độ chính xác của tần số dao động dịch pha thực tế so với tính toán

Chính vì những ưu/nhược và đặc điểm của mạch, mạch dao động dịch pha RC thường được sử dụng như bộ tạo dao động âm thanh Ngoài ra còn được ứng dụng trong biến tần sóngsin, tổng hợp giọng nói, GPS, nhạc cụ

Thiết kế mạch nguyên lý

1 Tạo file nguyên lý

Để tạo mạch nguyên lý (Schematic), ta sử dụng phần mềm Capture CIS của Orcad 18

Sau khi cài đặt Orcad, tiến hành chạy ứng dụng Capture CIS bẳng cách click chuột trái

Sau khi giao diện của Capture CIS hiện lên, tiến hành chọn File/New/Project

Hộp thoại New project xuất hiện, mục Name điền tên của file schematic và phần Location bấm Browse để chọn vị trí lưu file nguyên lý

Vậy là ta đã tạo xong 1 file mạch nguyên lý và có các vùng như sau (tùy phiên bản Orcad

có thể khác phần vùng cửa sổ điều chỉnh khác, )

2 Thêm thư viện và linh kiện vào mạch nguyên lý

Để sử dụng và thêm linh kiện được, ta cần add thư viện Chọn Place part ở thanh công cụ bên phải Hộp thoại Place Part hiện lên Chọn Add Library để thêm thư viện và chọn tất

cả những thư viện cần thêm, sau đó bấm Open là ta đã thêm thư viện thành công

Tiếp theo, chúng ta tiến hành lấy những linh kiện cần sử dụng, cụ thể như bảng sau

Transistor 2N1069 TRANSISTOR 1

Để lấy linh kiện, ta chọn thư viện tương ứng ở mục Libraries và nhập keyword vào phần

Part, sau đó click chuột phải để lấy linh kiện và click chuột phải vào vùng làm việc để thêm linh

kiện vào mạch nguyên lý

Để lấy mass, ta chọn Place ground ở thanh công cụ bên tay phải rồi chọn CAPSYM ở mục

Libraries và chọn GND ở mục Symbol Sau đó bấm OK và click chuột trái để thêm mass

Sau khi tiến hành lấy linh kiện, ta được màn hình làm việc như hình dưới Sau đó tiến hành xoay các linh kiện bằng phím tắt R và H.

3 Đi dây linh kiện

Tiến hành đi dây, ta chọn Place wire ở thanh công cụ bên tray phải

Để dễ nhìn cũng như theo dõi, ta tiến hành đổi tên linh kiện, thêm giá trị, bằng cách chọn

linh kiện cần sửa rồi click chuột phải chọn Edit propertie và thay đổi thông số/tên/chi tiết Sau

khi hoàn thành tất cả, ta thu được mạch nguyên lý như sau:

4 Kiểm tra và chuẩn bị cho file PCB

Để tạo bản mạch in PCB, ta cần phải có file “.mnl” trước Ở vùng bên trái màn hình, chọnvào file đang thực hiện, sau đó click Design rules check ở thanh công cụ phía trên Hộp thoại

Design Rules check hiện lên, chọn các nhu cầu về quy định như ảnh và bấm OK

Nếu có lỗi sẽ được báo về trong cửa sổ Session Log, ta sẽ sửa những lỗi được báo lại Nếu

mạch đã đúng thì ta tiến hành làm bước tiếp theo Chọn Creat nestlist trên thanh công cụ

phía trên, hộp thoại Creat Nestlist hiện lên, chọn Layout và bấm Browse để chọn vị trí lưu file

“.mnl” rồi click OK

chọn vị trí lưu file PCB, tên file (.max) Sauk hi hoàn thành bấm Save.

2 Thêm footprint cho linh kiện và đi dây

Sau khi tạo được file max, sẽ có cửa sổ hiện lên yêu cầu thêm footprint cho những linh kiện lần đầu sử dụng (những linh kiện đã sử dụng và đã được thêm footprint sẽ tự động lưu lại cho những lần sau)

Nếu muốn tạo footprint mới hoặc chỉnh sửa footprint đã có sẵn khi không có chân nào có

sẵn phù hợp với linh kiện, click Create or modify footprint library Còn bấm Link existing footprint to component để thêm footprint đã có sẵn vào linh kiện Ở đây em chọn Link existing footprint to component và thêm các file ở các thư viện như bảng dưới

Để xóa (bấm Delete), xoay (phím tắt R),… các chữ, ta chọn Text tool ở thanh công cụ

phía trên Sau đó để thay đổi vị trí, xoay các linh kiện, ta chọn Component tool ở thanh công

cụ phía trên và tiến hành chỉnh vị trí các linh kiện và chuẩn bị cho đi dây, được hình như dưới

Để đi dây, ta cần xác định mình sẽ sử dụng lớp vẽ mạch in nào, chúng ta chọn View

Spreadsheet rồi chọn theo thứ tự Strategy/Route Layer

Đây là mạch cơ bản, không quá phức tạp, nên ta chỉ cần in 1 lớp Ở đây chọn lớp TOP hayBOTTOM đều được, ở đây em chọn BOTTOM Chọn lớp nào thì chỉ những ô của lớp đấy mới

Yes, còn lại chỉnh No cột Enable bằng cách chọn các ô cần đổi, và bấm tổ hợp phím Ctr+E,và

bỏ tíc ở Routing Enabled để đổi thành NO Bấm OK để hoàn tất

Cuối cùng, ta thu được bảng sử dụng các lớp như ảnh

Tiếp theo, chọn tab View Spreadsheet rồi vào Nets để tùy chỉnh kích thước, độ rộng

các đường dây

Nên chỉnh các đường mass độ rộng to hơn các đường tín hiệu Ở đây em lấy độ rông các

đường tín hiệu là 20 và Mass là 30 Để điều chỉnh độ rộng, trong cột Width Min Con Max, ta

bấm chọn các đường ta cần điều chỉnh và bấm tổ hợp phím Ctr+E để thay đổi số liệu phần

Min Width, Conn Width và Max Width trong hộp thoại Edit Net như hình dưới đây

Ta được bảng các đường đi dây như hình dưới là được

Chúng ta bắt đầu đi dây Ta có thể tự đi dây thủ công bằng cách chọn Add/Edit Route

Mode ở thanh công cụ phía trên hoặc chọn chế độ đi dây tự động bằng cách vào tab

Auto/Autoroute/Board và máy sẽ tự động đi dây Nếu còn dây nào chưa được đi hết hoặc cần

chỉnh sửa lại chỗ nào, ta chọn Edit Segment Mode và bấm chuột trái vào chỗ cần sửa

Sau khi đi dây xong, ta thu được mạch như hình

3 Phủ đồng và làm đường biên

Bước cuối cùng là cần phủ Mass để chống nhiễu, tạo đường biên cho bo mạch, thêm chú

thích nếu cần thiết,… Đầu tiên, để thêm chú thích ta chọn Text Tool ở thanh công cụ phía

trên, chuột phải vào màn hình làm việc và bấm New sau đó tiến hành thêm chú thích ở cửa sổ

Text Edit mới hiện ra Để phủ đồng mạch in, ta chọn Obstacle Tool ở thanh công cụ phíatrên Trỏ chuột vào màn hình làm việc và bấm chuột phải, chọn New sau đó bấm tổ hợp phímCtr+E để cửa sổ Edit Obstacle hiện lên Ta chỉnh số liệu các mục như ảnh dưới đây và bấm

OK sau khi hoàn tất.

Sau đó ta kéo chuột theo đường chéo phần muốn phủ Mass, sau khi thả chuột là đã phủ

mass thành công Tiếp theo ta tiến hành vẽ đường biên mạch bằng cách chọn Obstacle Tool

ở thanh công cụ phía trên Trỏ chuột vào màn hình làm việc và bấm chuột phải, chọn New sau đó bấm tổ hợp phím Ctr+E để cửa sổ Edit Obstacle hiện lên và chỉnh các thông số

như trong ảnh rồi bấm OK

Ta lại tiếp tục kéo chéo chuột để vẽ phần khung và thả khi hoàn tất Cuối cùng ta thu được mạch như sau

Sau cùng, trước khi lưu và đi in mạch, ta kiểm tra lại lần cuối xem có lỗi gì, hay sai sót gì với bản mạch in không bằng cách chọn Design Rule Check ở thanh công cụ phía trên Nếu cửa sổ lên thông báo “No errors found” như dưới là ta đã hoàn tất, còn nếu báo lỗi, hãy tiến hành sửa lỗi và kiểm tra lại.

- Đi dây và sắp xếp linh kiện vẫn chưa quá tối ưu

3 Lời cảm ơn và cam kết

Để hoàn thành bài báo cáo này, em có tham khảo 1 vài tài liệu nước ngoài trên mạng và 1 quyển giáo trình, bài của anh/chị khóa trước do thầy gửi như em đã liệt kê ở mục tài liệu tham khảo Còn lại em xin cam kết toàn bộ mạch, cũng như các hình ảnh khác là của cá nhân

em và không thuộc sở hữu của ai khác

Em xin chân thành cảm ơn Ths Vũ Hồng Vinh đã hướng dẫn em và các bạn cùng lớp trong học phần “Thực tập cơ bản” nói chung và trong phần thiết kế mạch in nói riêng để em

có thể hoàn thiện bản báo cáo và củng cố những kỹ năng cần thiết Bài báo cáo của em không thể tránh khỏi những thiếu sót, vậy nên em rất mong sẽ nhận được lời nhận xét của thầy sau khi xem báo cáo để em có thể hoàn thiện hơn nữa và rút kinh nghiệm

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn

Sinh viênNguyễn Phương Linh

Tài liệu tham khảo