THIẾT KẾ MẠCH ĐO TẦN SỐ

Nhng cũng có những trờng hợp với một số tổ hợp biến số hàm số của các biến đó không xác định đợc giá trị theo một điều kiện nào đó.. Các hiển thị tơng ứng của LED 7 thanh với lần lợt các

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

*********

BÀI TẬP LỚN MÔN: KĨ THUẬT SỐ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TẦN SỐ Giáo viên hướng dẫn : Ts: Nguyễn Thu Hà

Nhóm sinh viên thực hiện : 1 Lê Văn Tuấn

2 Chu Văn Hưng

3 Trần Văn Phương

4 Nguyễn Văn Mạnh

5 Bùi Đình Quyền

Lớp : ĐH Điện4_K6

Tháng 11 năm 2013

NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

Yêu cầu về bố cục nội dung :

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch tổ hợp, mạch dãy và mạch dao động Chương 2: Thiết kế hệ thống đo và hiển thị tần số.

Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng.

Yêu cầu về thời gian :

Ngày giao đề : 10/11/2013

Ngày hoàn thành :… 18/12/2013

Thời gian bảo vệ dự kiến : 30/12/2013

Ngày … tháng … năm 2013 Khoa Điện Bộ môn Giáo viên hướng dẫn

NGUYỄN THU HÀ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

e&f

_ _ _ _

Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, khoa học công nghệ đang phát triển mộtcách nhanh chóng trong những năm gần đây, đặc biệt là ngành kỹthuật điện-điện tử Sự xuất hiện của các vi mạch, IC số tổng hợp đãgiúp cho kích thước mạch nhỏ gọn, tiện lợi hơn

Trải qua sự phát triển của khoa học công nghệ, giờ đây chúng ta

đã chế tạo ra rất nhiều loại tần số, phục vụ trong ngành điện tử viễn

Máy đo tần số là 1 thiết bị cho phép chúng ta biết được tần só củatín hiệu 1 cách chính xác, góp phần vào việc đo và điều khiển tínhiệu.Với những kiến thức được học trên lớp và tìm hiểu thực tế.Trong thời gian yêu cầu nhóm em đã hoàn thành đồ án môn học vớinội dung “Mạch Đo Tần Số” Do kiến thức chuyên ngành còn thiếunhiều thực tế nên đồ án không tránh khỏi những sai sót, mong cácthầy cô góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thu Hà và các thầy côtrong bộ môn đã giúp nhóm em hoàn thành đồ án này

Nhóm sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I:Mạch tổ hợp, mạch dãy và mạch dao động

Các mạch dao động sử dụng các phần tử tích cực là: tranzitor ( loại lỡng cực hoặc FET), đi ốt tuy nen, mạch tích hợp KĐTT hoặc các mạch tích hợp với các chức năng khác.

Các tham số cơ bản của mạch dao động gồm: tần số tín hiệu ra, công suất ra và hiệu suất của mạch

Ta thờng gặp các nguyên tắc dao động nh: tạo dao động bằng hồi tiếp dơng và tào dao động bằng phơng pháp tổng hợp mạch

1.2: Điều kiện dao động

Ta xét sơ đồ khối mạch dao động mô tả nh trên hình 1.1 Trong đó,

ta kí hiệu và gọi X’ - tín hiệu vào dạng phức, X’

O – tín hiệu ra dạngphức và X’

Hình 1.1: Mô tả cách xác định điều kiện dao động

Khối 1: khối khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức:

K’ = Kejα

K

Với K là mô đun hàm truyền đạt khối khuếch đại và αK là góc pha đầu hàm truyền đạt khối khuếch đại Khối 2 là khối hồi tiếp đại cóhàm truyền đạt dạng phức:

K’ = KFejα

F

Với KF là mô đun hàm truyền đạt khối phản hồi và αF là góc pha

đầu hàm truyền đạt khối phản hồi

Giả định có tín hiệu vào dạng phức là X’, tích các hệ số khuếch

đại vòng K’K’

F =1, thì tín hiệu phản hồi và tín hiệu vào bằng nhau cả

về biên độ góc pha, nghĩa là: X’

F = X’ Khi đó 2 điểm a và a’ có thể nối đợc với nhau mà tín hiệu ra X’

O không thay đổi Vậy mạch tạo dao

động đợc tín hiệu ra mà không cần có kích thích cửa vào Ta suy ra

điều kiện để duy trì dao động là tích các hệ số khuếch đại dạng phức vòng kín bằng 1

Có thể tách điều kiện (1.1) ra làm 2 biểu thức:

Điều kiện cân bằng biên độ: KKF = 1

Điều kiện cân bằng các góc pha: α

K + α

1.3: Kết luận

Mạch dao động là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng phản hồi

d-ơng ra quay lại đậu vào Năng lợng tự dao động lấy từ nguồn một chiều đợc cung cấp Mạch phải bảo đảm cân bằng biên độ và cân bằngpha Mạch dao động chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ

1 2

một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để bảo đảm cho biên

độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập

II: Mạch tổ hợp

1: Khái quát

Mạch logic tổ hợp là mạch logic ở đó giá trí logic của các tín hiệu ra không phụ thuộc vào trạng thái cũ của mạch, mà hoàn toàn xác định bởi giá trị logic của các cửa vào của mạch ở thời điểm đó

Khi tổng hợp mạch logic tổ hợp ta cần tuân thủ các bớc dới đây:

- Lập bảng chức năng logic của mạch Đó là bảng chân lí hay bảng trạng thái, là bảng giá trị các biến ra tơng ứng với tong

tổ hợp của các biến vào

- Từ bảng trạng thái xác định biểu thức hàm logic hoặc bảng Các nô

- Tiến hành tối thiểu hoá hàm logic và đa về dạng thuận lợi để triển khai hàm thông qua các mạch logic cơ bản

2: Các phơng pháp tối thiểu hoá hàm logic

- Tối thiểu hoá hàm logic bằng cách sử dụng các định luật cơ bản của đại số logic

- Tối thiểu hoá hàm logic bằng biểu đồ Các nô

3: Tổng hợp hàm logic ràng buộc

3.1: Khái niệm về hàm logic ràng buộc

Hàm số n biến có 2n tổ hợp biến, tơng ứng với mỗi tổ hợp biến đó hàm số có giá trị 1 hoặc 0 Nhng cũng có những trờng hợp với một số

tổ hợp biến số hàm số của các biến đó không xác định đợc giá trị theo một điều kiện nào đó

Phần tử ràng buộc hay số hạng ràng buộc là tổ hợp biến tơng ứng với trờng hợp hàm số không xác định, số hạng ràng buộc luôn bằng 0 Điều kiện ràng buộc là biểu thức logic tạo bởi tổng các phần tử ràngbuộc Vậy điều kiện ràng buộc cũng luôn bằng 0

Hàm logic ràng buộc là hàm số logic xác định với điều kiện ràng buộc

Tối thiểu hoá hàm logic ràng buộc có 2 cách: tối thiểu hoá bằng công thức hoặc bằng bảng các nô

4: Bộ mã hoá và bộ giải mã

- Hệ chuyển mã:

Hệ chuyển mã

Hệ chuyển mã là hệ tổ hợp có nhiệm vụ làm cho 2 hệ thống tơng thíchnhau, mặc dù 2 hệ thống sử dụng2 mã nhị phân khác nhau Hệ chuyểnmã có số lợng ngõ vào và ngõ ra bằng nhau

Giải mã số BCD sang mã LED 7 thanh:

Led 7 thanh: là loại đèn LED ding để hiển thị các số thập phân (từ 0

đến 9)

Các số thập phân đợc hiển thị bởi LED 7 thanhNgoài ra LED 7 thanh còn hiển thị đợc 1 số chữ cái và các kí tự đặc biệt

Có 2 loại LED 7 thanh: Anot chung và Katot chung

LED Katot chung vµ Anot chung

M¹ch gi¶i m· sè BCD sang led 7 thanh:

M¹ch cã 4 ngâ vµo t¬ng øng víi tæ hîp BCD vµ 7 ngâ ra t¬ng øng 7 thanh cña LED

X©y dung hÖ gi¶i m· cho led 7 thanh anode chung

Các hiển thị tơng ứng của LED 7 thanh với lần lợt các đầu vào:

1: Khái niệm mạch dãy

Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ đợc tạo bởi các mạchlật, các mạch cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào

2: Thanh ghi và thanh ghi dịch

Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lu giữ dữ liệu hoặc biến đổi dữ liệu số từ nối tiếp sang song song và ngợc lại Mỗi mạch lật chỉ lu giữ đợc một bit Vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải đợc tạo

tử bấy nhiêu mạch lật

3: Bộ đếm

Bộ đếm là thiết bị đếm đợc số xung đến cửa vào, đầu ra của bộ

đếm là số lợng xung đếm đợc Bộ đếm rất đa dạng Bộ đếm có thể phân loại theo cách thức hoạt động làm bộ đếm đồng bộ và bộ đếm không đồng bộ ( bộ đếm dị bộ) hoặc phân loại theo hệ số đếm của nó làm bộ đếm nhị phân, bộ đếm thập phân và bộ đếm N phân

3.1: Bộ đếm nối tiếp và bộ đếm song song.

Bộ đếm nối tiếp xung đếm chỉ đa vào một FF

Bộ đếm song song: xung đếm đợc đa vào tất cả các phần tử đếm

Để thành lập một hệ đếm ta sử dụng JK - FF Nếu có n FF thì thành lập đợc hệ đếm có dung lợng tối đa là 2n

- Đặt xung clock vào bộ đếm M

- Lấy tín hiệu từ bit có trọng số cao nhất của bộ đếm M làm xung clock cho bộ đếm N

- VD: Hệ đếm 10 ghép với hệ đếm 6 thành hệ đếm 60

MSB LSB

CK CK

Trong bài ta sử dụng IC 74ls90 làm bộ đếm

Phần II: Thiết Kế Mạch Đo V Hi à ển Thị Tần Số

A: Phõn Tớch Mạch

1 Phõn tớch tần số điều khiển

-Do yêu cầu của tín hiệu vào có biên độ rất nhỏ, do đó phải có một bộtiền khuếch đại ở đầu vào

-Do yêu cầu hiển thị số nên phải có một bộ đếm ở đầu ra làm nhiệm

vụ đếm tần số và hiển thị ra Led 7 thanh

-Vì đầu vào tơng tự ở dạng hình sin, xung vuông, xung tam giác đầu

ra là một mạch đếm số do đó phải có một mạch sửa dạng tín hiệuchuyển tất cả tín hiệu về dạng xung vuông để các mạch số có thể làmviệc đợc

B Sơ đồ khối:

Xoỏ bit nhớ

về 000

Khối tạo xun g Khối đế m Khối giải mã Khối hiển thị

* Nhiệm vụ các khối:

-Khối tạo xung: Tạo xung vuông với tần số 1hz

-Khối đếm dịnh tần số: cho xung vào bộ đếm trong 1 giây

-Khối đếm: Gồm các IC74LS90 được ghép nối với nhau để tạo thànhcác hệ đếm phù hợp

-Khối giải mã: Gồm các IC7447 để giải mã BCD để đưa ra khối hiểnthị

-Khối hiển thị: Hiển thị tín hiệu sau giải mã qua LED 7 đoạn

Mạch đếm giây dùng IC74LS90

Khối cộng

Hiển thị số hàng chụcqua led 7 thanh

Mạch giải

mã BCD dùng IC74LS47

Mạch đếm phút dùng IC74LS90

Đếm định tần số

Xung vào

Hiển thịsố hàng trămqua led 7 thanh

Mạch đếm giờ dùng IC74LS90

Mạch giải

mã BCD dùng IC74LS47

Xung chu kì 1s

Hiển thịsố hàng nghìn qua led 7 thanh

Mạch giải

mã BCD dùng IC74LS47

Mạch đếm giờ dùng IC74LS90

C Cấu tạo của từng khối

1:Khối tạo xung:

-Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệ thống Đặcbiệt là đối với bộ đếm, nó quyết định các trạng thái ngõ ra của

bộ đếm

-Có rất nhiều mạch dùng tạo dao động, nhưng do sự thông dụng ta chỉ quan tâm đến mạch tạo dao động dùng IC 555.-Đây là vi mạch định thời chuyên dùng, có thể mắc thành mạch đơn ổn hay phi ổn

1.1IC 555 :

IC 555 dùng để tạo xung vuông, xung tam giác

Hình B.1 IC 555

Các thông số cơ bản của IC 555 có trên thị trường:

+ Điện áp đầu vào: 2-18V ( Tùy từng loại của 555: LM555, NE555, NE7555 )

+ Dòng điện cung cấp : 6mA-15mA

+ Điện áp logic ở ức cao: 0.5-15V

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) ( Hay đùng trong thu phát hồng ngoại)

 IC 555có nhiều ứng dụng rộng rãi,có 8 chân, sơ đồ cho thấy

công dụng của các chân theo tên như sau:

Hình B.2 Sơ đồ chân của IC 555

Thứ tự các chân của IC 555

 Chân 1 (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng.

 Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3

mức nguồn nuôi

 Chân 3 (Output): Chân ngả ra, tín hiệu trên chân 3 c1

dạng xung, không ở mức áp thấp thì ở mức áp cao

 Chân 4 (Reset): Chân xác lập trạng thái nghĩ với mức

áp trên chân 3 ở mức thấp, hay hoạt động

 Chân 5 (Control Voltage): Chân làm thay đổi mức áp

chuẩn trong IC 555

 Chân 6 (Threshold): Chân so áp với mức áp chuẩn là

2/3 mức nguồn nuôi

 Chân 7 (Discharge): Chân có khóa điện đóng masse,

thường dùng cho tụ xả điện

 Chân 8 (VCC): Chân nối vào đường nguồn V+ IC

555 làm việc với mức nguồn từ 3 đến 15V

Thứ tự các chân của IC 555 cho thấy sơ đồ mạch đẳng hiệu của

IC 555

Hình B.3 sơ đồ mạch đẳng hiệu của IC 555

Nguyên lý làm việc

Hình B.4 sơ đồ nguyên lý

Hình vẽ cho thấy trong IC 555 có 2 tầng so áp Tầng so áp dưới(LOWER COMPARATOR), điện áp vào trên chân 2 cho so ápvới mức áp ngưỡng là (1/3)Vcc, ngả ra của tầng só áp tác độngvào chân Set của Flip Flop Tầng so áp trên (UPPERCOMPARATOR), điện áp vào trên chân số 6 cho so áp với mức

áp ngưỡng là (2/3)Vcc, ngả ra của tầng so áp tác động vào chânReset của Flip Flop Như vậy Trạng thái ngả ra của Flip Flip sẽtùy thuộc vào tác động của tín hiệu vào trên chân 2 và chân 3.+ Nếu mức áp chân 2 xuống thấp hơn (1/3)Vcc thì ngả ra

trên chân 3 sẽ tăng lên mức áp cao

+ Nếu mức áp trên chân 6 lên cao hơn (2/3)Vcc thì ngả ra trênchân 3 sẽ xuống mức áp thấp.

+ Khi chân 3 ở mức áp cao thì transistor T1 sẽ ngưng dẫn (tácdụng như cho chân 7 hở masse)

+Khi chân 3 ở mức áp thấp thì transistor T1 sẽ bão hòa (tácdụng như cho chân 7 nối masse)

+ Chân 4 chân Reset Khi chân 4 ở mức áp thấp, chân 3 bịchốt ở mức áp thấp, chỉ khi chân 4 ở mức áp cao, lúc đó chân

3 mới có thể biến đổi theo Flip Flop Do vậy trong các mạchdao động, người ta thường cho chân 4 nối vào mức nguồn cao

Sơ đồ các khối chức năng của IC 555

Trong IC với chân 1 nối masse và chân 8 nối vào đường nguồn Vcc,

là một cầu chia áp với 3 điện trở bằng nhau (đều là 5K) Cầu chia ápnày tạo ra 2 mức áp ngưỡng, một là 1/3 mức áp nguồn dùng làm mức

áp ngưỡng cho tầng so áp, tín hiệu vào trên chân số 2, và một khác là2/3 mức áp nguồn dùng làm mức áp ngưỡng cho tầng so áp khác, tínhiệu vào trên chân số 6 Chân số 5 có thể chịu tác động ngoài để làmthay đổi mức áp ngưỡng Chân số 7 là một khóa điện đóng/mở(transistor bão hòa/ngưng dẫn) theo mức áp trên chân số 3 Chân số 3

là ngả ra và là ngả ra một tầng Flip Flop, nên tín hiệu trên chân 3 códạng xung (mức áp chỉ xác lập ở trạng thái cao hay thấp) Chân 4 làchân Reset, khi chân 4 ở mức áp thấpnó ghim chân 3 luôn ở mức ápthấp, chỉ khi chân 4 ở mức áp cao, lúc đó trạng thái mức áp trên chân

số 3 sẽ theo tác động của tầng Flip Flop

Chú ý:Trong mạch này, chân số 2 cho nối vào chân số 6 IC 555 đã

được ráp thành mạch dao động (A-Stable) Tần số xung ra trên chân 3

sẽ tùy thuộc vào trị số các điện trở RA, RB và tụ C Trên chân 5 cóthể mắc thêm tụ lọc 0.01uF để ổn định điện áp của các mức ápngưỡng Trạng thái ra trên chân số 3 sẽ tùy thuộc vào mức áp cao trênchân 4 cho dao động và mức áp thấp trên chân 4 (bị ghim ở mứcthấp)

Hình B.5 giản đồ xung raMạch nạp RC cơ bản như trên Hình 4 Giả thiết tụ điện ban đầu là phóng điện Khi mà đóng công tắc thì tụ điện bắt đầu nạp thông qua điện trở Điện áp qua tụ điện từ giá trị 0 lên đến giá trị định mức vào

cho tụ điện nạp đến 63.2% điện áp cung cấp và hiểu thời gian này là 1hằng số Giá trị thời gian đó có thể tính bằng công thức : t=R.C

Hình B.6 Đường cong nạp của tụ điện

4:Công thức tính tần số điều chế độ rộng xung của 555:

Hình B.7 công thức tính xung

Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung.+ Tần số của tín hiệu đầu ra là :

+ Chu kỡ của tớn hiệu đầu ra : t = 1/f

+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kỡ :

t1 = ln2 (R1 + R2).C

+ Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kỡ :

t2 = ln2.R2.C

NHư vậy trờn là cụng thức tổng quỏt của 555 Tụi lấy 1 vớ dụ nhỏ là :

để tạo được xung dao động là f = 1.5Hz Đầu tiờn tụi cứ chọn hai giỏtrị đặc trưng là R1 và C2 sau đú ta tớnh được R1 Theo cỏch tớnh toỏntrờn thỡ ta chọn : C = 10nF, R1 =33k > R2 = 33k (Tớnh toỏn theocụng thức)

2: Bộ phận sửa dạng xung

Hỡnh B.7 sơ đồ mạch tạo xung

Sau khi đã khuếch đại tín hiệu ta tiến hành sửa dạng tín hiệu thànhdạng xung vuông nh mong muốn để đa vào tầng đếm số Khối nàyphải đáp ứng đợc các yêu cầu khi đa các tín hiệu có dạng sine, xungrăng ca hay xung vuông vào đầu vào thì đầu ra phải có dạng xungvuông mang đầy đủ các chỉ tiêu để các mạch số có thể làm việc đợc

Ta có thể đáp ứng các yêu cầu trên với một bộ so sánh dùng IC thuật

Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier: Op-Amps) có ký hiệu như hình sau :

Đây là một vi mạch tương tự rất thông dụng do trong Op-Amps được tích hợp một số ưu điểm sau:

- Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op-Amps khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hoá-điện, dòng điện sinh học thường là nguồn có tính đối xứng)

- Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên Amps có độ miễn nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào cùng lúc sẽ không thể xuất hiện ở ngõ ra Cũng vì lý do này Op-Amps

Op-có khả năng khuếch đại tín hiệu Op-có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều

- Hệ số khuếch đại của Op-Amps rất lớn do đó cho phép Op-Amps khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục mico Volt

- Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amps được chế tạo trên cùng một phiến do đó độ ổn định nhiệt rất cao

- Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng không khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối (module hoá)

- Tổng trở ngõ vào của Op-Amps rất lớn, cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé

- Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép Op-Amps cung cấp dòng tốt cho phụtải

- Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amps làm việc tốt với nhiều dạngnguồn tín hiệu khác nhau

Tuy nhiên cũng như các vi mạch khác, Op-Amps không thể làm việc

ổn định khi làm việc với tần số và công suất cao

Sơ đồ chân và hình dạng một op-amps điển hình

Có thể sử dụng các mạch sau để chuyển từ tín hiệu xoay chiều sangtín hiệu xung vuông

a Mạch so sánh

Mạch so sánh tận dụng tối đa hệ số khuếch đại vòng hở trong amps (tối thiểu khoảng 100 000 lần) và được chế tạo thành những vi mạch chuyên dụng (comparators) như LM339, LM306, LM311,

op-LM393, NE527, TLC372 Các VI MẠCH NÀY ĐƯỢC THIẾT KẾ

ĐỂ ĐÁP ỨNG RẤT NHANH THEO SỰ THAY ĐỔI CỦA TÍN

HIỆU VÀO (Slew rate khoảng vài ngàn volt/microsecond).

Rõ ràng tín hiệu ngõ ra bị dao động mỗi khi chuyển trạng thái, điều này rất nguy hiểm cho các mạch phía sau Để khắc phụ nhược điểm trên người ta sử dụng mạch Schmitt Trigger

b Mạch Schmitt Trigger

Mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh có phản hồi như hình sau

Lúc này do vin so sánh với tín hiệu ngõ vào v+ là điện thế trên mạch phân áp R4-R2, nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của vout, mạch Schmitt Trigger cũng có hai ngưỡng so sánh là V và V