Thiết kế, thi công mô hình thực hành điện tửsốđáp ứng tốt các bài thực hành điện tửsốcó trong chương trình đào tạo cao đẳng, đại học của trường

- Cung cấp cho sinh viên bộ thiết bị thực hành thân thiện, dễ sử dụng mà lại đáp ứng được đầy đủ các nội dung trong học tập và nghiên cứu học phần Điện tử số.. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI - Thiế

Trang 1

1

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH 3

MỞ ĐẦU 4

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 4

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 4

CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ 6

Xác định các thành phần của thiết bị 6

1.1.1 Các cổng Logic: 6

1.1.2 Mạch tổ hợp: 6

1.1.3 Mạch đếm không đồng bộ: 6

1.1.4 Mạch đếm đồng bộ: 6

1.1.5 Mạch ghi dịch: 6

1.1.6 Mạch chuyển đổi qua lại giữa số và tương tự 7

Các công trình nghiên cứu liên quan 7

1.2.1 Sản phẩm của Lab-Volt: 7

1.2.2 Sản phẩm của hãng Feedback 9

1.2.3 Sản phẩm của Đại học sư phạm kỹ thuật Vinh 11

1.2.4 Sản phẩm của Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh 12

Kết luận 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT 14

Phần mềm Proteus 14

Các mạch chức năng 14

2.2.1 Mạch tạo dao động 14

2.2.2 Mạch thiết lập các mức logic ngõ vào 16

2.2.3 Mạch hiển thị nhị phân: 18

2.2.4 Mạch hiển thị thập phân: 19

Các IC chức năng 22

Trang 2

2

2.3.1 Các cổng logic 22

2.3.2 Các IC chức năng mạch tổ hợp 30

2.3.3 Nhóm IC chức năng các Flip-Flop và mạch đếm 38

2.3.4 Mạch biến đổi ADC, DAC 52

2.3.5 Khối đồng hồ đo điện áp số: 57

2.3.6 Mạch cấp nguồn an toàn: 57

Kết luận 60

CHƯƠNG 3: THI CÔNG LẮP RÁP MẠCH 61

Sơ đồ khối mô hình 61

Bảng vẽ mạch in bo mạch 62

Lắp ráp thiết bị 63

3.3.1 Các khối chức năng 63

3.3.2 Các IC chức năng 66

3.3.3 Mạch nguồn và mạch thiết lập các mức logic 72

Kết luận 75

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH THIẾT BỊ VÀ TÀI LIỆU THỰC HÀNH 76

Giới thiệu mô hình thiết bị 76

Qui trình lắp mạch thực nghiệm 77

Tài liệu hướng dẫn thực hành 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

Trang 3

3

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1-1: Bo Mạch điện tử số cơ bản-1 của Lab-Volt 7

Hình 1-2: Bo mạch điện tử số cơ bản -2 của Lab-Volt 8

Hình 1-3: Bo mạch điện tử số-1 của Feedback 9

Hình 1-4: Bo mạch điện tử số-2 của Feedback 10

Hình 1-5: Bo mạch điện tử số của Đại học sư phạm kỹ thuật Vinh 11

Hình 1-6: Bo mạch điện tử số của Đại học sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh 12

Hình 2-1: Giao diện phần mềm mô phỏng Proteus phiên bản 8.1 14

Hình 2-2: Mạch dao động tạo xung vuông dùng IC 555 15

Hình 2-3: Mạch thiết lập các mức logic ngõ vào 17

Hình 2-4: Mạch hiển thị thập phân 19

Hình 2-5: Sơ đồ khối bộ nguồn 58

Hình 2-6: Thư viện các linh kiện trong Proteus 8.1 60

Hình 3-1: Sơ đồ khối thiết bị 61

Hình 3-2: Sơ đồ thiết kế mạch bằng Proteus 8.1 62

Hình 3-3: Đấu nối giao tiếp dây nguồn, hộp cầu chì, công tắt và bộ nguồn 73

Hình 3-4: Đấu nối các dây nguồn với bo mạch chính 73

Hình 3-5: Sơ đồ mạch in tổng thể của thiết bị 74

Hình 4-1: Thiết bị thực hành Điện tử số 76

Trang 4

4

MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Xuất phát từ yêu cầu thực tế: Việc tìm hiểu nghiên cứu về điện tử số đối với giảng viên, sinh viên ngành Điện-Điện tử ở Trường Đại học Thủ Dầu Một là yêu cầu hết sức cần thiết và không thể thiếu trong quá trình đào tạo

- Cung cấp cho sinh viên bộ thiết bị thực hành thân thiện, dễ sử dụng mà lại đáp ứng được đầy đủ các nội dung trong học tập và nghiên cứu học phần Điện tử số Giúp sinh viên nắm vững các nội dung cơ bản và chuyên sâu của điện tử số Từ đó, có thể thiết kế các mạch điện tử số theo yêu cầu cũng như có thể tiếp cận với các kỹ thuật và công nghệ mới đáp ứng được yêu cầu của nhà tuyển dụng

- Giúp giảng viên có điều kiện nghiên cứu sâu hơn, nâng cao năng lực chuyên môn tiến tới làm chủ được được công nghệ, tự tin hơn trong giảng dạy

- Đối với Khoa Điện-Điện tử, chúng ta có thể phát triển và nhân bản kết quả Đề tài để làm thiết bị phục vụ việc giảng dạy học phần Điện tử số

- Đối với Trường, khẳng định uy tín với xã hội thông qua việc thiết kế các thiết bị thực hành do đội ngũ giảng viên của Trường thực hiện và hạn chế đến mức thấp nhất các hư hỏng

và mất mát của các vật liệu, linh kiện trong quá trình thực hành

Xuất phát từ những điều kiện khách quan trên đề tài “Thiết kế - Thi công mô hình thực hành điện tử số” là vô cùng cấp thiết và hữu ích trong thời điểm hiện nay Đề tài sau khi hoàn thành sẽ mang lại lợi ích rất lớn cho sinh viên, giảng viên của Khoa Điện-Điện tử cũng như mang lại lợi ích không nhỏ cho Trường

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

- Thiết kế, thi công mô hình thực hành Điện tử số đáp ứng tốt các bài thực hành điện

tử số có trong chương trình đào tạo cao đẳng, đại học của Trường

- Xây dựng tài liệu hướng dẫn thực hành kèm theo mô

CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

a Cách tiếp cận:

- Khảo sát, phân tích đề cương học phần Điện tử số của Trường để xác định các mạch thực hành cần thực hiện của mô hình

Trang 5

5

- Tìm hiểu các sản phẩm và các công trình nghiên cứu liên quan: Tham khảo một số

mô hình thực hành điện tử số của của các hãng nước ngoài và một số trường đại học trong nước

- Thiết kế và thi công mô hình thiết bị với các bài thực hành phù hợp với mô hình và yêu cầu của học phần

b Phương pháp nghiên cứu:

- Tổng hợp lý thuyết, phân tích và chọn giải pháp thực hiện tối ưu

- Thực nghiệm mô phỏng mô hình, đưa ra mô hình hoàn chỉnh

- Thực hành thực tiễn rút kết kinh nghiệm để thiết kế các bài thực hành kèm theo mô hình hoàn chỉnh

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Mạch cấp nguồn an toàn;

- Nhóm các IC chức năng mạch tuần tự;

- Nhóm các IC chức năng mạch chuyển đổi AD, DA

Trang 6

- Khảo sát các cổng NOT

- Khảo sát các cổng OR, NOR

- Khảo sát các cổng AND, NAND

- Các mạch logic đại số Boole

- Các mạch bán phần, cộng đầy đủ

1.1.2 Mạch tổ hợp:

- Mạch so sánh: 2 số nhị phân 4 bit, 2 số nhị phân 8 bit;

- Mạch đa hợp: 8 đường sang 1đường, 16 đường sang 1 đường;

- Mạch giải đa hợp: 1 đường sang 8, 1 đường sang 16 đường

Trang 8

8

tiến hành kinh doanh như Festo Didactic trước đây, sản phẩm của Lab-Volt và Festo Didactic được cung cấp sẵn cho khách hàng thông qua các đại lý trên toàn cầu từ một nguồn

Các sản phẩm của Lab-Volt được gọi là "LabVolt Series", trong đó có thiết bị thực hành điện

tử số cơ bản được thiết kế trên 2 bo mạch

Các khối chức năng của bo mạch điện tử số cơ bản-1:

Trang 9

ra, các bo mạch chưa có nguồn vì vậy cần phải trang bị thêm bộ nguồn khi sử dụng

1.2.2 Sản phẩm của hãng Feedback

Hình 1-3: Bo mạch điện tử số-1 của Feedback

Trang 10

- Kiểm tra lỗi

Bo mạch 2 thiết bị thực hành điện tử số của Feedback có các chức năng thực nghiệm sau:

- Các Flip-flop: RS, JK, D;

- Đơn ổn và đa hài;

Trang 11

1.2.3 Sản phẩm của Đại học sư phạm kỹ thuật Vinh

Hình 1-5: Bo mạch điện tử số của Đại học sư phạm kỹ thuật Vinh

Thiết bị thực hành điện tử số của Đại học sư phạm kỹ thuật Vinh thiết kế mỗi khối chức năng trên một bo mạch khác nhau, gồm các mô đun sau:

Trang 12

- Bộ biến đổi số-tương tự DAC, FVC, VFC;

- Bộ biến đổi tương tự-số ADC

Nhận xét về sản phẩm:

Giải pháp này được thực hiện trên một bo mạch và có phần nguồn Các bài thực hành của mạch so với chương trình thiếu các nội dung về mạch mạch đếm nhưng lại thừa các nội dung

về bộ nhớ và mạch kích

1.2.4 Sản phẩm của Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh

Hình 1-6: Bo mạch điện tử số của Đại học sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh

Thiết bị được thiết kế để phục vụ cho các bài thí nghiệm sau:

- Khảo sát cổng Logic;

- Mạch tổ hợp;

- Mạch hiển thị led bảy đoạ

- Khảo sát các Flip-Flop;

Trang 13

Kết luận

Từ các sản phẩm của các hang Lab-Volt và Feedback cũng như của các trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Vinh và Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh ta tiếp thu các ưu điểm của các sản phẩm và bổ sung các các mạch để đáp ứng tốt theo đề cương khi thiết kế mô hình thiết bị thực hành điện tử số của Trường, cụ thể như sau:

- Có bộ nguồn an toàn và tiện lợi cung cấp cho các mạch thực hành

- Trang bị đầy đủ các mạch chức năng:

Mạch tạo xung dao động

Mạch hiển thị nhị phân

Mạch hiển thị thập phân

 Mạch thiết lập các mức logic ngõ vào

- Các mạch thực hành theo yêu cầu:

Trang 15

Xung ra lấy trên chân số 3: Khi chân 3 ở mức áp cao thì Led đỏ D sáng Điện trở R2dùng để hạn dòng làm việc của các Led Xung ra trên chân 3 là dạng xung vuông với cạnh lên và cạnh xuống rất thẳng, dùng dạng xung này kích thích các mạch số là rất tốt

Xung lấy ra trên chân 2 và 6 có dạng răng cưa, khi chân 7 ở lúc hở masse, thì tụ C1 sẽ nạp điện nguồn, dòng nạp qua RV1, R1 mức áp trên chân 2, 6 tăng dần lên, khi mức áp này bằng 2/3 mức nguồn thì chân 7 sẽ cho nối masse, lúc này tụ C1 sẽ cho xả điện, dòng xả qua R1 Để tín hiệu ra có dạng xung vuông với hệ số duty = 50%, lấy trị R1 đủ nhỏ so với trị của RV1+R1

Trang 16

2.2.2 Mạch thiết lập các mức logic ngõ vào

Thiết lập các mức logic để cung cấp cho các ngõ vào phục vụ cho các bài thực hành về cổng logic, các mạch cộng, mạch so sánh v, v…

Trang 17

17

- Sơ đồ mạch:

Hình 2-3: Mạch thiết lập các mức logic ngõ vào Khi các Swi (i = 1÷8) mở (ON) ngõ ra tương úng Si sẽ có mức logic [1];

Ngược lại Swi mở (OFF) các ngõ ra tương ứng Si sẽ có mức logic [0]

Các điện trở 1K 1/4W, có tác dụng hạn dòng qua các diode Di (i = 1÷8)

Các diode D (Light Emiting Diode - LED) là diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 ÷ 2,2V dòng qua Led khoảng từ 5mA đến 20mA Led được sử dụng để làm đèn báo (LED sáng: mức logic [1], LED tắt: mức logic [0])

Trang 18

18

2.2.3 Mạch hiển thị nhị phân:

Để đảm bảo điện áp ra các led đúng các chuẩn, giúp độ sang của các led đồng đều ta cần sử dụng các cổng đệm Ở đây, ta sử dụng IC ULN 2803 để thực hiện chức năng đệm Mỗi IC có

8 cổng đệm đảo do đó ta cần 2IC cho 16 bit

- Sơ đồ chân IC:

- Bảng các thông số về điện:

Trang 19

19

- Các thông số về cơ:

2.2.4 Mạch hiển thị thập phân:

- Sơ đồ mạch: Hình 2-4: Mạch hiển thị thập phân

Sử dụng IC 74LS247 kết hợp với led 7 đoạn Anode chung

Chức năng IC 74LS247: Đây là IC chuyển từ

mã nhị phân sang các số tương ứng được hiển thị trên led 7 đoạn IC có ngõ ra tích cực mức thấp

Trang 21

21

 Led 7 đoạn: Có hai loại cơ bản Cathode chung và Anode chung

- Sơ đồ chân IC:

- Bảng các thông số về điện DC:

Trang 23

23

 IC 74LS02: Cổng NOR 2 ngõ vào

- Bảng các thông số về điện:

Trang 24

24

Trang 27

27

 IC 74LS08: Cổng AND 2 ngõ vào

Trang 30

30

2.3.2 Các IC chức năng mạch tổ hợp

 74LS42: Mạch giải mã số BCD sang số DEC

Trang 31

31

 74LS47: Mạch giải mã số BCD sang LED 7 đoạn Anode chung

Trang 32

32

 74LS48: Mạch giải mã số BCD sang LED 7 đoạn Cathode chung

Trang 34

34

 74LS138: Mạch giải đa hợp 1 sang 8

Trang 36

36

Trang 38

38

2.3.3 Nhóm IC chức năng các Flip-Flop và mạch đếm

 74LS73: Hai Flip-Flop JK tác động cạnh xuống

Trang 39

39

 74LS74: Hai Flip-Flop D tác động cạnh xuống

Trang 40

40

 74LS76: Hai Flip-Flop JK tác động mức thấp

Bảng các thông số về điện DC:

Trang 43

43

 74LS164: Thanh ghi dịch 8 bit

Trang 44

44

 74LS190: Mạch đếm thập phân đồng bộ

Trang 46

46

 74LS192: Mạch đếm lên/xuống thập phân có thể lập trình trước

Trang 47

47

 74LS194

Trang 48

48

 HCF 4040: Mạch đếm nhị phân 12 bit không đồng bộ

Trang 49

49

Trang 50

50

 HEF 4017: Mạch đếm Johnson

Trang 51

51

Trang 52

52

2.3.4 Mạch biến đổi ADC, DAC

 IC DAC 0800: Chuyển đổi số 8-bit sang tương tự

Trang 53

53

 IC DAC 0808: Chuyển đổi số 8-bit sang tương tự

Trang 54

54

 IC ADC 0804: Chuyển đổi tương tự sang số 8-bit

Trang 55

55

 IC ADC 0808: Chuyển đổi tương tự sang số 8-bit

Trang 57

57

2.3.5 Khối đồng hồ đo điện áp số:

- Hình dạng:

- Đặc tính kỹ thuật:

2.3.6 Mạch cấp nguồn an toàn:

 Xác định công suất của nguồn

Công suất của nguồn phải lớn hơn tổng công suất tiêu thụ của các mạch có trên bo mạch

P ≥ PIC + PLED + P7D

- PIC: Công suất của các IC, tổng số lượng IC trên kít là 40

Trang 58

58

 Dòng điện tiêu thụ tối đa của 1 IC: 100 mA

 IIC = 40*100 mA = 4A

 PIC = 4*5 = 20 W

- PLED: Công suất của các diode phát quang, số LED đơn trên kít là 32;

 Dòng điện tiêu thụ tối đa của 1 LED: 20mA

 ILED = 32*20 = 640mA

 PLED = 640mA*5 = 3,2 W

- P7D: Công suất của các led 7 đoạn, số LED 7 đoạn trên kít là 06;

 Dòng điện tiêu thụ tối đa của 1 LED 7 đoạn: 70mA

 ILED = 6*70 = 420 mA

 PLED = 420mA*5 = 2,1W

Vậy công suất của nguồn: P ≥ 20 + 3,2 + 2,1= 25,3 W

 Các yêu cầu kỹ thuật:

Để an toàn cho người sử dụng và các linh kiện trên bo mạch bộ nguồn phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Khi có sự cố chạm chập cần có cầu chì bảo vệ để cách ly

- Nguồn vào 220 V được thiết kế cách điện với người sử dụng Ngoài ra, ngõ ra phải đáp ứng

đủ các mức điện áp DC để cung cấp cho các mạch thí nghiệm cụ thể: +5 V; ± 12 V; và nguồn

DC có thể thay đổi từ: -12 V ÷ +12 V

- Công suất của nguồn cung cấp phải đảm bảo lớn hơn công suất tiêu thụ của mạch

Hình 2-5: Sơ đồ khối bộ nguồn

- K: Công tắc có led báo đóng/tắt nguồn;

- F: Cầu chì;

- AC/DC: Bộ nguồn Meanwell RQ-65B

Trang 60

60

 Kích thước: 19 X 11 inch

 Chất liệu: Thép sơn tĩnh điện

Kết luận

So với các phần mềm mô phỏng mạch điện tử khác, Proteus 8.1 có nhiều ưu điểm nổi trội như:

mô phỏng được rất nhiều linh kiện điện tử và các thiết bị hiển thị, kết quả mô phỏng rất trực quan như một mạch điện tử thật Các linh kiện cần thiết để thiết kế Mô hình thực hành điện tử số Proteus 8.1 đều đáp ứng đầy đủ

Hình 2-6: Thư viện các linh kiện trong Proteus 8.1 Ngoài ra, Proteus 8.1 là chương trình cho phép thiết kế mạch in rất trực quan và dễ sử dụng Vì vậy, nghiên cứu nguyên lý hoạt động các mạch chức năng và sử dụng phần mềm Proteus 8.1 là giải pháp công nghệ giúp ta mô phỏng và thiết kế mạch và xác định các thông số kỹ thuật tối ưu trong điều kiện có thể của đề tài

Trang 61

61

CHƯƠNG 3: THI CÔNG LẮP RÁP MẠCH

Sơ đồ khối mô hình

Thiết bị Thực hành điện tử số gồm 3 nhóm chính: Nhóm các khối chức năng, nhóm các IC chức năng và nhóm mạch nguồn và mạch thiết lập các mức logic

Hình 3-1: Sơ đồ khối thiết bị

 Các IC chức năng mạch chuyển đổi AD, DA

- Mạch nguồn và mạch thiết lập các mức logic

Trang 62

62

Bảng vẽ mạch in bo mạch

Sử dụng Proteus 8.1 vẽ mạch in cho bo mạch chính:

Hình 3-2: Sơ đồ thiết kế mạch bằng Proteus 8.1 Kích thước bo mạch chính:

Tiêu đề	Thiết kế, thi công mô hình thực hành điện tử số đáp ứng tốt các bài thực hành điện tử số có trong chương trình đào tạo cao đẳng, đại học của trường
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh
Chuyên ngành	Điện tử
Thể loại	Tài liệu hướng dẫn thực hành

Định dạng
Số trang	81
Dung lượng	5,42 MB