Thiết kế mạch tương tự và mạch số

Biến áp nguồn; Biến áp nguồn thực hiện nhiệm vụ biến đổi nguồn điện áp xoay chiều của mạng điện UV = 220V/ 50Hz thành nguồn xoay chiều với các mức điện áp U ∼ khác nhau, tơng ứng với số

Phần I - Mạch tơng tự

Mạch tạo xung vuông một cực tính.

1-1 Sơ đồ khối.

1-1-1 Biến áp nguồn;

Biến áp nguồn thực hiện nhiệm vụ biến đổi nguồn điện áp xoay chiều của mạng điện

(UV = 220V/ 50Hz) thành nguồn xoay chiều với các mức điện áp (U ∼) khác nhau, tơng ứng với số vòng dây của cuộn thứ cấp biến áp mà điện áp có trị số cần thiết đối với mạch chỉnh lu(UV ≠ U ∼).Biến áp còn có chức năng ngăn cách mạch chỉnh lu với mạng điện về một chiều

1-1-2 Bộ chỉnh lu và ổn áp;

Gồm có mạch chỉnh lu và mạch ổn áp Mạch chỉnh lu làm nhiệm vụ nắn dòng xoay chiều thành dòng một chiều, sau đó lọc bỏ thành phần xoay chiều - giữ lại thành phần một chiều rồi đa qua mạch ổn áp Tại đây nguồn điện sau khi đợc chỉnh lu và lọc thành phần xoay chiều để cấp cho

bộ tạo xung

1-1-3 Bộ tạo xung;

Thực hiện chức năng tạo ra dao động xung

Chức năng này đợc thực hiện bởi mạch đơn dùng Transistor (hoặc Op-amp, mạch định thì hay các cổng Logic) để tạo điện áp ở đầu ra liên tục chuyển qua lại giữa hai mức cao và thấp Nghĩa là mạch cho ra một dãy xung vuông góc với những thông số đặc trng xác định trớc

1-2-4 Nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lu và ổn áp.

Điện áp xoay chiều hình sin 220V/ 50Hz đa vào sơ cấp biến áp (hình -1), đợc cảm ứng sang thứ cấp biến áp, rồi cho ra điện áp xoay chiều tơng ứng ở hai đầu A và B (điện áp ra phụ thuộc vào

số vòng dây của cuộn thứ cấp biến áp)

Bên thứ cấp biến áp, điện áp ra đợc đa vào mạch để nắn và cho ra dòng một chiều với điện

áp nhỏ , giả sử ở bán kỳ dơng - đầu A dơng Dòng điện qua đi-ôt D1 , vào IC ổn áp, qua R1 về điểm giữa nối mát (0V) của thứ cấp biến áp kín mạch ở bán kỳ âm của dòng điện xoay chiều, đầu B d-

ơng Dòng điện qua đi-ôt D2 , vào IC ổn áp, qua R1 về điểm giữa nối mát (0V) của thứ cấp biến áp kín mạch Ta có đồ thị nắn nh sau;

0

0

Khi có tụ CKhông có tụ C

Hình - 3 Đồ thị

thời gian điện áp ra

Dòng nắn là những xung liên tục ngợc pha nhau, vì cả 2 chu kỳ đều có dòng qua R1 nối với mát ở điểm giữa của cuộn thứ cấp biến áp nguồn Gọi là nắn cả chu kỳ điện xoay chiều (chỉnh lu toàn sóng cân bằng).

Tụ C ở đây làm nhiệm vụ lọc nguồn (lọc bỏ thành phần xoay chiều giữ lại thành phần xoay chiều) Điện áp ở điểm D là điện áp đã đợc lọc bỏ thành phần xoay chiều đa tới IC ổn áp

IC ổn áp 7810 làm nhiệm vụ ổn áp - ổn định điện áp 10V một chiều cung cấp cho mạch tạo xung làm việc

1-2-5 Nguyên lý đầy đủ.

1-3 Mạch tạo xung vuông một cực tính.

1-3-1 Các thông số đặc trng của tín hiệu xung.

Các tín hiệu có biên độ biến đổi theo thời gian đợc chia làm hai loại cơ bản là; Tín hiệu liên tục và Tín hiệu gián đoạn.

ở đây thực hiện nghiên cứu tín hiệu gián đoạn

Tín hiệu gián đoạn đợc gọi là tín hiệu xung hay tín hiệu số Trong đồ án này thực hiện thiết

kế mạch tạo xung vuông một cực tính

Tín hiệu xung đợc xem nh là tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu gián đoạn, biên độ của nó chỉ có 2 giá trị là mức cao (H) và mức thấp (L)

Thời gian để chuyển từ mức có biên độ thấp lên mức có biên độ cao hay ngợc lại là rất ngắn

và đợc xem nh tức thời Tín hiệu xung đợc định nghĩa nh sau;

“Tín hiệu xung điện áp hay xung dòng điện là những tín hiệu có thời gian tồn tại rất ngắn, có thể so sánh với quá trình quá độ trong mạch điện mà chúng tác dụng ”Trong thực tế, các xung vuông không có dạng lý tởng nh dạng xung ở (Hình-5) Bởi khó có một tín hiệu vuông nào đờng biên độ tăng và giảm thẳng đứng(ứng với thời gian hay giảm là

t = 0) Do vậy theo dạng xung ở (Hình-6), thì khi tăng điện áp sẽ có thời gian trễ (tr) gọi là độ rộng sờn trớc và ngợc lại, khi giảm điện áp cũng sẽ có thời gian trễ (tf) gọi là độ rộng sờn sau

Độ rộng sờn trớc và độ rộng sờn sau là thời gian biên độ xung tăng hay giảm trong khoảng

D2K202C

•

IC ổn áp

R14,3KΩ

R2

12Ω

C 0,1àF

Độ sụt đỉnh (∆V) là độ giảm biên độ ở phần đỉnh xung.

Xung vuông là dạng dãy xung thờng gặp nhất trong kỹ thuật điện tử Các thông số đặc

tr-ng cho dãy xutr-ng gồm;

Biên độ; UM = H - L (H là mức cao, L là mức thấp)

Độ rộng xung; tx (là thời gian ứng với điện áp cao)

Thời gian nghỉ; tn (là thời gian ứng với điện áp thấp)

Chu kỳ; T = tx + tn

T

1.Ngoài ra còn có 2 thông số phụ đặc trng khác là;

Mạch tạo xung vuông một cực tính hay còn gọi là mạch đa hài có hai trạng thái ( T1 bão hoà - T2 ngng hay T1 ngng - T2 bão hoà) Nhng khi nó hoạt động thì ở đầu ra luôn có một trạng thái

ổn định

Bình thờng khi mạch tạo xung vuông một cực tính đợc cấp nguồn sẽ ở trạng thái ổn định

và sẽ mãi ở trạng thái này không có tác động gì từ ngoài vào Khi ngõ vào nhận một xung kích thích, thì mạch sẽ đổi trạng thái và tạo ra một xung đơn vuông góc ở ngõ ra, với độ rộng xung ra sẽ tuỳ thuộc vào các thông số của RC đợc thiết kế trong mạch Sau thời gian có xung ra, mạch tạo xung vuông một cực tính sẽ tự trở về trạng thái ổn định ban đầu Mạch tạo xung vuông một cực tính rất thông dụng trong lĩnh vực tự động điều khiển, trong các thiết bị điện tử và điện tử công nghiệp

Mạch một cực tính có thể thực hiện bằng nhiều cách nh; dùng Transistor, Op-Amp, vi mạch định thì hay các cổng Logic

Trong đồ án này thực hiện phân tích và thiết kế mạch tạo xung vuông một cực tính dùng Transistor

1-3-3 Sơ đồ nguyên lý của mạch ở hai trạng thái.

UC = UCC - UBE ≈ UCC.Khi tụ đã nạp đầy thì dòng nạp qua tụ là bằng 0, nhng T1 vẫn chạy ở trạng thái bão hoà vì vẫn còn dòng IB1 qua RB1 để cấp phân cực cho B1

ở trạng thái này hai Transistor sẽ chạy ổn định nếu không có tác dụng từ bên ngoài

- Trạng thái tạo xung (Hình - 8).

Khi ngõ vào UI nhận xung kích âm, qua tụ Ci sẽ làm điện áp UB1 giảm làm cho T1 đang chạy

ở trạng thái bão hoà chuyển sang trạng thài ngng dẫn, lúc này IC1 = 0, điện áp UC1 tăng cao qua cầu phân áp RB2-RB0 sẽ phân cực cho T2 chạy bão hoà và điện áp tại chân C lúc này là;

UC2 = UCE ≈ 0,2V

Điều này làm cho tu C có chân mang điện áp dơng (+) coi nh nối mát, điện áp âm này sẽ

đ-ợc phân cực ngđ-ợc cho B1 và làm cho T1 tiếp tục ngng dẫn, mặc dù đã hết cung kích ở đàu vào Lúc

đó, tụ C phóng điện qua điện trở RB1 và T2 từ chân C xuống chân E Trong thời gian này T2 bão hoà

và T1 ngng dẫn nên điện áp ở chân C và B của hai Transistor đổi ngợc lại - chính là xung điện ở đầu ra

Sau khi tụ C phóng làm mất điện áp âm đặt vào chân B1 của T1, làm cho T1 không còn ở trạng thái ngng dẫn nữa mà chuyển sang trạng thái bão hoà nh lúc ban đầu Khi T1 trở lại trạng thái bão hoà thì điện áp đặt vào chân C của T1 là; UC1 = UCE = 0,2V

Nên T2 lúc này lại mất phân cực và tiếp tục chuyển sang trạng thái ngng dẫn nh lúc ban đầu.Thời gian tạo xung của mạch tạo xung vuông một cực tính là thời gian phóng điện của tụ C qua RB1 Sau thời gian này, mạch tự trở lại trạng thái ban đầu - là trạng thái ổn định

Ngoài nguyên lý mà 2 trạng thái đã phân tích và để đảm bảo việc thay đổi tần số theo dải tần 1KHz ữ 10KHz mà đồ án đa ra, thì phơng án thiết kế phải thực hiện là giảm trị số của tụ C và tăng trở kháng của điện trở RB1 Để tăng trở kháng của điện trở RB1, thì thực hiện bằng cách mắc thêm một biến trở VR vào sau điện trở RB1 nối với nguồn, để điều chỉnh tần số ra theo yêu cầu của giải tần.

1-3-5 Dạng sóng ở các chân.

Hình - 9a ; Biểu diễn điện áp ngõ vào UI, , trớc thời điểm này là trạng thái ổn định

Hình - 9b ; Là dạng điện áp UB1, khi có xung kich làm cho T1 ngng, tụ C phóng điện áp âm nên UB1 có điện áp âm ≈ -UCC và tụ C phóng điện qua RB1 làm điện áp âm giảm dần theo hàm số

mũ Thời gian phóng của tụ C chính là thời gian tạo xung ở ngõ ra

Hình - 9c ; Là trạng thái ổn định khi UC1 = 0,2V (bão hoà), ở trạng thái tạo xung UC1 = UCC

(ngng dẫn) nên T1 có xung vuông (+) ra và ngợc lại, T2 có xung vuông (-) ra, độ rộng xung là tX ở (Hình - 9d)

1-3-6 Điều kiện và thông số kỹ thuật.

Để cho mạch tạo xung vuông một cực tính hoạt động đúng theo nguyên lý phải thoả mãn

điều kiện là T1 bão hoà với;

IC1 =

1

C

CE CC R

-Hình - 9 Dạng sóng vào và ra của mạch.

Muốn T1 bão hoà phải có;

IB1 >

β

1

C I

Thờng chọn : IB1 = k

β

1

C I

( k là hệ số bão hoà sâu và k = 2ữ4)

Điện áp trên tụ tăng từ 0V đến UCC

Khi có xung âm đặt vào cực B1 thì

tụ C phóng điện qua RB1 với hằng

thời gian phóng là;

τphóng = RB1.C

Điện áp trên tụ khi phóng giảm theo

hàm số mũ bởi công thức; UC(t) = UCC.(1- e-t/ τ )

Do cực (+) của tụ C coi nh nối mát qua chân C2 của T2, thì khi T2 bão hoà tụ C sẽ phóng

điện áp âm (-UCC) và điện áp trên tụ tăng từ (-UCC) lên (0V), rồi sau đó tiếp tục nạp lên từ (0V) đến(+UCC) Cứ nh vậy đờng phóng và nạp của tụ sẽ biến thiên nh (hình-10) và đợc giới hạn từ

(-UCC) lên (+UCC) Đờng biểu diễn điện áp trên tụ sẽ đợc tính theo công thức;

Nh vậy về độ rộng xung thì ta có; tX = tn

Nạp Phóng

Do đó suy ra chu kỳ dao động là;

T = tX + tn = 0,69.(RB.C + RB.C) = 2 0,69 RB C

T ≈ 1,4 RB.C

Suy ra tần số của xung vuông một cực tính là;

C R T

f

B 4,1

11

=

=

Muốn thay đổi độ rộng xung (tX), ta có thể thay đổi RB1 hay trị số tụ C, trong đó RB1 bị giới hạn bởi điều kiện bão hoà của T1 nên ngời ta thờng chỉ thay đổi tụ C

b) Biên độ xung ra.

ở trạng thái ổn định, T1 bão hoà - T2 ngng, ta có;

UC1 = UCE ≈ 0,2V và UC2 ≈ UCC

ở trạng thái tạo xung, T1 ngng - T2 bão hoà, ta có;

UC1 ≈ UCC

2 1

2

B C

B R R

c) Thời gian phục hồi.

Theo sơ đồ trạng thái thì trạng thái ổn định là trạng thái T1 bão hoà - T2 ngng dẫn ; trạng thái tạo xung là trạng thái T1 ngng dẫn - T2 bão hoà Sau khi xong thời gian tạo xung (tX) thì T2 sẽ trở lại trạng thái ngng dẫn Trong thực tế, mạch cha trở về trạng thái ổn định ngay, vì lúc đó tụ C lại nạp điện qua RC2 làm UC2 tăng lên theo hàm số mũ, chứ không tăng tức thời nh hình vuông Thời gian này đợc gọi là thời gian hồi phục (th)

Hằng số thời gian nạp của tụ là: τnạp = RC2.C

Tụ nạp đầy trong thời gian (5τ), nhng thờng chỉ tính là: th ≈ 4τnạp = 4RC2.C

10

d) Thời gian phân cách.

Do có thời gian hồi phục (th) để mạch tạo xung vuông 1 cực tính trở lại trạng thái ổn định, nếu tín hiệu xung ở ngõ vào là tín hiệu liên tiếp nhau có tần số xung kích là fi, chu kỳ kích là Ti, thì chu kỳ Ti phải thoả mãn điều kiện là: Ti > tX + th

Điều kiện này là khoảng cách ngắn nhất giữa 2 xung kích phải lớn hơn độ rộng xung tX và thời gian th Thời gian (tX + th) gọi là thời gian phân cách tf

R

10.10

2,010

3 2

100

10.103

R R

B

BE B

B

10.3,0

8,010

3 2

f

B 4,1

1

1 =

f R

C

B 4,1

1

=

Để tính trị số của tụ C, thì phải tìm tần số dao động không đổi - trung nhất trong dải tần từ 1KHz ữ 10KHz của mạch tạo xung vuông một cực tính Do vậy ta phải tính tần số trung bình của dải tần Tần số trung bình là:

100001000

fMax fMin

Do vậy ta có:

.0039,010.5,5.33.4,1

110

.5,5.10.33.4,1

1

.4,1

1

6 3

f R

+) Tần số là fMin khi RB Max.+) Tần số là fMax khi RB Min

Do đó ta có:

.18018

,010.004,0.1000.4,1

1

.4,1

R

Min BMax

.2002

,010.004,0.10000.4,1

1

.4,1

R

Max BMin

Nên suy ra: VR = RB Max - RB Min = 180Ω - 20Ω = 160Ω

12

- Biên độ xung ra.

ở trạng thái ổn định, T1 bão hoà - T2 ngng, ta có;

UC1 = UCE ≈ 0,2V và UC2 ≈ UCC

ở trạng thái tạo xung, T1 ngng - T2 bão hoà, ta có;

.7,910.3310

.1

10.33

10

2 1

2

B C

B CC C

R R

R U

+

=+

và UC2 = UCE = 0.2V

Nh vậy, biên độ xung vuông dơng do T1 tạo ra là;

U01 = 9,7V - 0,2V = 9,5V ≈ 9,7V.Biên độ xung vuông âm do T2 cho ra là;

•

CC

Phần II - Mạch số Mạch đo điện áp và dòng điện II-1 Sơ đồ khối.

II-1-1 Chức năng của các khối

Mã hoá: làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu đầu vào từ tơng tự thành tín hiệu số.Giải mã: giải mã tín hiệu số thành mã hiển thị trên đầu ra

Hiển thị: đa ra kết quả của phép đo và đợc hiển thị trên bảng LED 7 thanh

II-1-1-1 Mã hoá.

Ngày nay việc gia công, truyền đạt tín hiệu cũng nh quá trình điều khiển và chỉ thị phần lớn

đợc thực hiện theo phơng pháp số Trong khi đó tín hiệu tự nhiên lại biến thiên theo thời gian nghĩa

là tín hiệu tự nhiên có dạng tơng tự Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu tơng tự với các hệ thống sử

lý số, ngời ta dùng các mạch chuyển đổi nh;

Tơng tự - Số (ADC - Analog Digital Converter)

hay Số - Tơng tự (DAC - Digital Analog Conveter) Nhằm biến đổi tín hiệu tơng tự sang dạng số hoặc trong trờng hợp cần thiết đổi tín hiệu số sang dạng tơng tự Quá trình biến đổi một tín hiệu tơng tự sang dạng số đợc minh hoạ bởi đạc tính truyền đạt trên (hình-1) Tín hiệu tơng tự UA đợc chuyển thành một tín hiệu có dạng bậc thang đều Với đặc tính truyền đạt nh vậy, một phạm vi giá trị của UA đợc biểu diễn bởi một giá trị đại diện số thích hợp Các giá trị đại diện số là các giá trị rời rạc (Hình-1)

14

Mã

hoá

Nguồn cung cấp

Hiển thị

Giải mã

Tín hiệu

ra của mạch đo

Có nhiều cách biểu diễn giá trị rời rạc đó Cách biểu diễn theo hệ thập phân thờng dùng để chỉ thị số đo Trờng hợp, sau mạch biến đổi AD là các thiết bị số, thì thờng dùng hệ đếm cơ số 2 (mã nhị phân) để biểu diễn tín hiệu số nh trên.

Một cách tổng quát, gọi tín hiệu tơng tự là SA (UA), tín hiệu số là SD (UD), SD đợc biểu diễn dói mã nhị phân nh sau:

SD = bn-1 2n-1 + bn-2 nn-2 + + b… 0 20.Trong đó;

+bK = 0 hoặc 1 (với k = 0 đến k = n-1); đợc gọi là Bit

+bn-1 ; đợc gọi là Bit, có nghĩa lớn nhất (MSB - most significat bit), tơng ứng với cột đứng

đầu bên trái của dãy mã số Mỗi biến đổi giá trị của MSB ứng với sự biến đổi của tín hiệu là nửa dài làm việc

+b0 ; gọi là Bit, có nghĩa nhỏ nhất (LSB - least significat bit), tơng ứng với cột đứng đầu bên phải của dãy mã số Mỗi biến đổi của tín hiệu là một mức lợng tử (1 nấc của hình bậc thang)

Với một mạch biến đổi có N bit, tức N số hạng trong dãy mã nhị phân (ví dụ hình-1 N=3) thì mỗi nấc trên hình bậc thang chiếm một giá trị:

Trong đó:

UAm; là giá trị cực đại cho phép của điện áp tơng tự ở đầu vào ADC

Giá trị của ULSB hoặc Q gọi là nức lợng tử

Do tín hiệu số là tín hiệu rời rạc, nên trong quá trình chuyển đổi AD xuất hiện một sai số gọi là sai số lợng tử hoá, đợc xác định nh sau:

Q UQ

F M ≥2 thMax≈2 (2.3)Trong đó:

FthMax; là tần số cực đại của tín hiệu.

B; là dải tần số của tín hiệu

Theo quy định lấy mẫu, nếu điều kiện (2.3) thoả mãn thì không có sự trùng lặp giữa phổ cơ bản (phổ tín hiệu vào) và các thành phần phổ khác sinh ra do quá trình lấy mẫu (các thành phần này phân bố về hai phía của (fM) và về hai phía của bội số của (fM) và cách chúng một khoảng đúng bằng dải tần B của tín hiệu)

Theo thuyết lợng tử hoá, trong quá trình lợng tử hoá sinh ra tạp âm, tạp âm này thể hiện khi thực hiện phép biến đổi ngợc DAC Do đó có thể coi quá trình lợng tử hoá âm Xta nào đó Ngời ta

đã chứng minh đợc: trong phạm vi

22

Q X

lg20)

ta U

UAm dB

a Các tham số cơ bản.

∗ Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tơng tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi

AD có thể thực hiện chuyển đổi đợc

Khoảng điện áp đó có thể lấy trị số từ 0 đến một vị số dơng hoặc âm nào đó hay cũng có thể

là điện áp hai cực tính từ; -UAm ữ +UAm

∗ Độ chính xác của bộ chuyển đổi AD Tham số đầu tiên đặc trng cho độ chính xác của một

ADC là độ phân biệt Ta biết rằng trên một bộ chuyển đổi ADC là các giá trị số đợc sắp xếp theo quy luật của một loại mã nào đó Các số hạng của mã số ở đầu ra (số bit trong mã nhị phân) tơng ứng với dải biến đổi của điện áp vào, cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi

Liên quan đến độ chính xác của ADC còn có những tham số khác Đờng đặc tuyến truyền

đạt lý tởng của ADC là một bậc thang để có độ trung bình bằng 1 Đờng đặc tính thực có sai số lệch không, nghĩa là nó không bắt đầu ứng với giá trị của 1/2 LSB Nó là hình bậc thang không đều

do ảnh hởng của sai số khuếch đại, của méo phi tuyến và sai số đơn điệu

Trong đó sai số khuếch đại là sai số giữa độ dốc trung bình của đờng đặc tuyến thực với độ dốc trung bình của đờng đặc tuyến lý tởng Sai số phi tuyến đợc đặc trng bởi sự thay đổi độ dốc trung bình của đặc tuyến thực trong dải biến đổi của điện áp vào Sai số này làm cho đờng đặc tuyến chuyển đổi có dạng hình bậc thang không đều Cuối cùng, sai số đơn điệu thực chất cũng do tính phi tuyến của đờng đặc tuyến biến đổi gây ra, nhng đây là trờng hợp đặc biệt làm cho độ dốc của đờng trung bình biến thiên không đơn điệu, thậm chí có thể dẫn đến mất một vài mã số

Tóm lại, đặc trng cho tính chính xác của ADC có nhiều tham số nh; số bit, méo phi tuyến, sai số khuếch đại và sai số đơn điệu Cần chú ý rằng nếu ADC làm việc lý tởng vẫn tồn tại sai số

Đó là sai số lợng tử hoá , đợc xác định theo biểu thức (2.2) Vì vậy sai số lợng tử hoá còn đợc gọi là sai số lý tởng hoặc sai số hệ thống của ADC Sai số thực của ADC gồm sai số lý tởng và những sai

số còn lại Ngời ta quy ớc tổng sai số các sai số còn lại không vợt quá sai số lý tởng, sao cho một ADC đợc thiết kế với độ chinh xác là (N+1) bit, thì đạt độ chính xác thực là N bit

b Tốc độ chuyển đổi.

Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, đợc gọi là tần số chuyển

đổi (fC) Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi (TC) để đặc trng cho tốc độ chuyển đổi TC

là thời gian cần thiết cho một kết quả chuyển đổi

Hình -3 Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng và thực của mạch

chuyển đổi tương tự - số (ADC)

Lý tưởng Thực

méo phi tuyến Sai số khuếch đại Sai số đơn điệu

Sai số lệch không

LSB

2 1