Giáo trình hướng dẫn tìm hiểu sự hình thành của máy đo tần số và vi mạch số phần 4 doc

Ta cần mạch mở cổng cho tín hiệu cần đo tần số vào mạch đếm trong 1 giây sau đó đóng không tín hiệu qua.. Dựa vào bảng trạng thái của cổng and có thể đáp ứng được yêu cầu của mạch khóa t

Khi công tắc ở vị trí (1) thì kết quả hiển thị trên màn hình ta đọc bình thường, nghĩa là kết quả hiển thị trên màn LED là 150 thì đọc kết quả của phép đo là 150 HZ Khi công tắc ở vị trí ( 2 ) giả sử trên phần hiển thị là 15 thì kết qủa của phép đo đọc là 15 x 10 =150 HZ nghiã là có 10 xung vào thì mới có một xung ra, cứ như thế có 100 xung vào thì có 10 xung ra như vậy điểm này tương với giai đo nhân 10 Khi công tắc ở vị trí (3) có 100 xung vào

ở chân 14 của IC1 thì có 1 xung ra ở chân 11 của IC2 hay có 1000 xung vào thì có 10 xung ra như vậy vị trí này tương ứng với giai đo nhân 100 Tóm lại, kết quả của phép đo bằng kết qủa hiển thị nhân với giai đo

2 Mạch khống chế thời gian đếm trong 1 giây:

Như đã trình bày trong phần 2 là mạch hoạt động dựa trên nguyên tắc là mạch đếm xung trong 1 giây Ta cần mạch mở cổng cho tín hiệu cần đo tần số vào mạch đếm trong 1 giây sau đó đóng không tín hiệu qua Mạch đếm và giải mã hiển thị kết quả trên LED, kết quả này được lưu giữ lại trong suốt thời gian reset mạch đếm và chu kì đếm lần sau Dựa vào bảng trạng thái của cổng and có thể đáp ứng được yêu cầu của mạch khóa tín hiệu ngõ vào:

Bảng trạng thái

Tín hiệu điều chính là dao khiển động chuẩn có tần số 1 HZ

IC đếm 4017 B có các ngõ ra thay đổi trạng thái lần lượt theo tín hiệu xung 1 HZ nghiã là mỗi thời điểm chỉ có một ngõ ra ở mức cao còn các ngõ

ra khác đều ở mức thấp Lúc đầu, ngõ ra 00 = [1] cổng and được mở cho phép tín hiệu vào mạch đếm sau thời gian 1 giây 00 chuyển sang trạng thái mức thấp cổng and được khoá không cho tín hiệu vào mạch đếm và lúc này ngõ ra

01 ở trạng thái mức cao thông qua cổng NOT trạng thái được đảo lại là mức thấp cho phép mạch giải mã xuất kết quả đếm lên màn LED cũng sau thời gian 1 giây ngõ ra 01 chuyển sang trạng thái mức thấp ở ngõ ra cổng NOT là mức cao cho phép mạch chốt kết quả vừa hiển thị, ngõ ra 02 chuyển trạng thái tứ mức thấp sang mức cao reset lại toàn bộ mạch đếm và ngay cả IC 4017B làm cho ngõ ra 00 chuyển trạng thái từ mức thấp sang mức cao mạch bắt đầu hoạt động như chu kì đầu là đếm xung tín hiệu vào - chốt kết quả hiển thị - reset lại mạch đếm

Dạng sóng mô tả nguyên lý hoạt động cuả mạch:

IV./ MẠCH GIỚI HẠN BIÊN ĐỘ TÍN HIỆU NGÕ VÀO:

Mạch đo tần số sử dụng vi mạch số, như đã giới thiệu IC số chỉ làm với tín hiệu ở dạng xung có hai mức ngưỡng phân biệt rõ ràng Giới hạn biên độ tín hiệu cho phép mạch có thể làm việc được là phải lớn hơn 2Vp-p và nhỏ hơn 5 Vp-p, nếu như biên độ tín hiệu quá nhỏ thì cần có mạch khuếch đại và ngược lại biên độ quá lớn thì cần mạch hạn chế biên độ tín hiệu ngõ vào:

1 Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ vào:

Để đáp ứng được các tín hiệu có biên độ thấp từ hàng mV thì cần mạch khuếch đại để nâng biên độ lên hàng volt mới đáp ứng được biên độ tín hiệu ngõ vào mạch đếm Trong mạch này ta dùng IC 741 làm phần tử khuếch đại, hệ số khuếch đại của mạch phải cao nhưng nếu dùng một tầng khuếch đại thì mạch làm việc không ổn định và không đáp ứng được dải tần số tín hiệu cần đo Vì vậy ta thiết kế mạch dùng hai tầng khuếch đại, ngưỡng biên độ tín hiệu thấp nhất là 10 mV Dạng mạch khuếch đại như sau:

 Chọn hệ số khuếch đại của mạch là A1 = 100 và A2 = 3

 Điện áp ngõ ra của tầng thứ 1: V01 = A1 x Vin

 Điện ra của tầng thứ 2: V02 =A2 x V01

 Khi điện áp vào là Vin = 10 mV thì điện áp ngõ ra V02 = 3 V với biên độ tín hiệu này mạch đếm đã hoạt động

 Đối với những tín hiệu có tần số thấp dung kháng XC1 rất lớn so với điện trở R1 và hệ số khuếch đại giảm Khi tần số tín hiệu tăng thì dung kháng XC1 giảm làm cho hệsố khuếch đại tăng lên Giới hạn tần số thấp được xác định theo công thức:

f gh = 1

2rR C2 1

R2 =1k  ,

Hệ số của mạch khuếch đại không đảo A = 1 +R

R

3 1

1 + R

R

3 2

= 100

R3 = 99 R2

R3 = 99 k  Chọn R1 = R2 để nhằm mục đích bù ảnh hưởng của dòng ngõ vào, tương tự tính cho tầng khuếch sau với hệ số khuếch đại A2 = 3

1 + R

R

4 5

= 3

R4 = 2 R5 = 2 k  Thông số kỹ thuật vi mạch 741 tại điện áp cung cấp 15 V

Dòng điện phân cực 80 n ( max 500 ma )

Có mạch bổ chính tần số bên trong, không cần thêm RC bên ngoài Có khả năng bảo vệ ngắn mạch, dòng ngõ ra tới hạn tại 25 mA Điện áp sai biệt tối đa giữa hai ngõ vào là 30 V

Có mạch chỉnh điện áp offset ngõ ra

2 Mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào:

Khi biên độ tín hiệu ngõ vào lớn hơn 5Vp-p thì mạch không thể hoạt động, trong mạch này giới hạn biên độ tín hiệu cao nhất cho phép là 15V Tín hiệu ngõ vào vi mạch số có biên độ là 5V, dòng ngõ vào là 10 mA Khi tín hiệu ngõ vào là Vi = 15 V

R1=V V

I

i L

 0

=15 5

10



= 1K

Khi tín hiệu ngõ vào là Vi = 10 V

R2 = 5

10= 500 

Biên độ tín hiệu ngõ vào ta không mở rộng lên giới hạn cao hơn vì trong thí nghiệm đo lường điện thường làm việc với mức điện áp thấp từ 15 V trở xuống Ba led phát quang chỉ báo có tín hiệu ngõ vào đồng thời giới hạn mức điện áp tín hiệu ngõ vào là 5V Diode zener xen các thành phần nhiễu có biên độ vượt quá 5Vp-p

Như vậy trong mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào có 4 cấp giới hạn 15V - 10V - 5V -10mV Chúng ta có thể ước lượng biên độ tín hiệu cần

đo tần số để chọn cấp giới hạn cho phù hợp

3 Mạch chỉnh dạng xung tín hiệu ngõ vào:

Mạch đếm làm việc với tín hiệu dạng xung có hai mức logic phân biệt rõ ràng nên tín hiệu cần đo tần số có dạng sin hoặc những tín hiệu xung

bị méo dạng cần được chỉnh dạng cho thành xung vuông trước khi đưa vào mạch đếm Ở đây ta dùng cổng nảy schmitt trigger CMOS có hai mức ngưỡng giao hoán để chỉnh dạng sóng tín hiệu ngõ vào

Trigger schmitt bộ có cấu tạo phổ biến nhất và thường tỏ ra hiệu quả đối với các ứng dụng hiện nay, trigger schmitt được cấu thành từ một cổng logic với hai mức ngưỡng chuyển mạch

Biên độ cuả các vượt mức tín hiệu cần sưả đổi sẽ cao hơn độ trễ cuả các tín hiệu ngõ vào, song ta cũng có thể ứng dụng thông tin dạng số ngõ ra để trigger một mạch số khác như mạch đếm hoặc mạch đa hài đơn ổn

Đối với cổng đảo, khi điện thế vào nhỏ ứng với mức thấp thì ngõ ra là điện thế lớn ứng với mức cao Khi điện thế tăng đến ngưỡng +VT (đối với CMOS là khoảng 50% VDD) sự giao hoán bắt đầu và ngõ ra chuyển xuống mức thấp Nếu điện thế ngõ vào giảm thấp thì đường giao hoán khi điện thế giảm trùng với đường giao hoán khi điện thế tăng

Đối với cổng schmitt trigger ngưỡng giao hoán khi điện thế ngõ vào tăng là +VT và ngưỡng giao hoán khi điện thế ngõ vào giảm là –VT không trùng nhau khiến đường giao hoán khi điện thế vào tăng và đường giao hoán khi điện thế vào giảm không trùng nhau, sai biệt giữa hai ngưỡng +VT đến

-VT được gọi là độ trễ Kết quả là ta có dạng xung vuông ở ngõ ra mạch nảy schmitt trigger, dạng sóng gồm dúng hai xung (xung hướng dương và xung hướng âm) như dạng xung cuả tín hiệungõ vào mặc dầu dạng sóng vào rất méo dạng và có lẫn nhiễu

Trong mạch này ta chọn cổng schmitt trigger thuộc họ CMOS CD40106 có 6 cổng schmitt trigger có đảo, dùng công nghệ CMOS cổng silicum để đạt được tốc độ cao tương tự như TTL-LS nhưng công suất tiêu thụ thấp

Sơ đồ chân cuả IC 40106:

Một số đặc điểm cuả IC 40106:

Số fan out: 10 tải TTL-LS

Khoảng nhiệt độ làm việc rộng: 40 đến 85 C

Thời gian trì hoãn và thời gian chuyển tiếp cân xứng

Thời hằng tăng và thời hằng giảmcuả tín hiệu vào không giới hạn Điện áp nguồn cung cấp từ 3V đến 10V

Độ miễn nhiễu mức thấp 37% VCC, ở mức cao 51% VCC, khi VCC = 5V

V./ MẠCH ĐẾM VÀ GIẢI MÃ:

1./ Mạch đếm:

Trong mạch này chọn IC 4518B để kết nối mạch đếm, IC này thuộc họ CMOS bao gồm hai mạch đếm thập phân đồng bộ bên trong Mỗi mạch đếm có hai ngõ vào xung clock, một ngõ tác động cạnh xuống, một ngõ tác động cạnh lên, tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà ta chọn ngõ vào xung tác động cạnh lên hay tác động cạnh xuống

Bảng trạng thái:

 Chức năng các của IC 4518B:

- CP0a ,CP0b : ngõ vào xung clock tác động cạnh lên

- CP1a, CP1b : ngõ vào xung clock tác động cạnh xuống

- Mra ,Mrb : đặt lại (Reset)

- Q0a đến Q3a : ngõ ra BCD

- Q0b đến Q3b : ngõ ra BCD

Trong mạch đo tần số này dùng 4 LED để hiển thị như vậy số lớn nhất có thể hiển thị được là 9999 HZ.Để được kết quả này ta phải sử dụng 4 mạch đếm 10 ghép lại với nhau IC 4518B gồm hai mạch đếm 10 nên chỉ dùng 2 IC là có thể đáp ứng được số đếm yêu cầu, sử dụng IC4581B mạch trở nên đơn giản hơn Bộ đếm này, có công suất tiêu tán thấp, độ miễn nhiễu cao 45% Vdd:

- Điện áp cung cấp 3 đến 18VDC

- Dòng điện tĩnh là 5nA ở mức điện áp cung cấp là 5VDC

- Dạng mạch được kết nối như sau:

Chân 7, 15 (Reset ) của IC1 và IC2 nối chung với nhau và được nối đến đường tín hiệu reset Khi cho tín hiệu xung clock vào chân 2 cuả IC1, ngõ vào reset ở mức thấp mạch đếm bình thường ngõ ra Q0a (chân 6) được nối đến chân 10 làm xung clock cho mạch đếm thứ hai Ngõ ra Q3b của IC1 được nối đến ngõ vào chân (2) của IC2 để mạch đếm tiếp, số lớn nhất mà mạch đếm được là 9999 HZ

Các thông số của IC 4518B:

Kí hiệu Giá trị Đơn vị

Điện thế ngõ vào Vin 0.5 - Vdd+0.5 VDC

Nhiệt độ làm việc

Nhiệt độ bảo quản Tstg 60 – 150 C

2 Mạch giải mã:

Ngõ ra của IC đếm là mã số BCD để hiển thị ra LED 7 đoạn thì cần phải mạch giải mã từ số BCD sang LED 7 đoạn Trong mạch này sử dụng IC 4511B làm mạch giải mã, IC 4511B là Ic thuộc họ CMOS có 4 ngõ vào, ba ngõ vào điều khiển vàø ngõ ratừ Oa đến Og nguyên lý hoạt động được giải thích dựa trên bảng trạng thái

Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong của IC 4511B: cấu trúc bên trong của IC gồm có 3 phần LATCHES, DECODER, DRIVER

DA đến DD: ngõ vào nhận tín hiệu từ IC đếm 4518B:

EL : cho phép chốt ngõ vào, ở mức thấp cho phép tín hiệu giải mã ra LED,

ở mức cao chốt kết quả vừa hiển thị

BI ngõ vào xóa số 0 tác dộng ở mức thấp

LT :ngõ vào thử đèn

Oa đến Og 7 ngõ ra sang LED 7 đoạn

Decoder: giải mã

Driver: mạch đệm

Latches: Bộ nhớ trung gian để nhớ kết quả trong thời gian ngắn (mạch chốt)

Bảng trạng thái của IC 4511B: